FIRE CERTIFICATI BIANCHI : RISULTATI E PROPOSTE DI MIGLIORAMENTO

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1 FIRE CERTIFICATI BIANCHI : RISULTATI E PROPOSTE DI MIGLIORAMENTO RIMINI 4 NOVEMBRE 2010 PROPOSTA DI METODO DI CALCOLO DEI TITOLI DI EFFICIENZA ENERGETICA A CONSUNTIVO PER LA COGENERAZIONE AD ALTO RENDIMENTO Giovanni Vergerio - ENERGY MANAGER giovanniruggero.vergerio@gmail.it

2 Indice Cogenerazione ad alto rendimento Utilizzo del PES come procedura di calcolo dei TEE Metodo di calcolo dei TEE utilizzato in un caso reale di impianto di cogenerazione misto contropressione condensazione. Proposta di un metodo generale applicabile a tutti gli impianti CAR Analisi di confronto su casi industriali CAR reali di grande taglia Applicazione del metodo proposto ad un impianto di teleriscaldamento con produzione combinata di energia termica destinata a teleriscaldamento e teleraffrescamento. Conclusioni 2

3 Cogenerazione ad alto rendimento Utilizzo del PES come procedura di calcolo dei TEE -1 Il PES è definito come Primary energy saving Risparmio di energia primaria della cogenerazione ad alto rendimento e quindi come tale è immediatamente applicabile ad un calcolo di energy saving Noti gli elementi utili per il calcolo del PES ( efficienze di riferimento elettriche e termiche, fattori di correzione per le perdite di rete ) il calcolo del risparmio energetico è dato da : Energy Saving = Combustibile Cogenerazione *PES/(1-PES) Nella direttiva europea il PES è calcolato con la formula : Dove : PES = ( 1 1/( η η + η η ))*100 CHP Hη = Efficienza termica della cogenerazione = Et/Combustibile Cog. Ref Hη = Efficienza di riferimento per la produzione termica separata CHP Eη = Efficienza elettrica della cogenerazione = Ee/Combustibile Cog. Ref Eη = Efficienza di riferimento per la produzione elettrica separat ( Ref Eη tiene conto anche del fattore di correzione per le perdite della rete elettrica) 3

4 Cogenerazione ad alto rendimento Utilizzo del PES come procedura di calcolo dei TEE - 2 Con queste definizioni la formula del PES è del tutto equivalente a quella del IRE: =(1 /( + )) 100 Dove Ec = Combustibile Cogenerazione, Ee=Produzione elettrica, Et = Produzione termica Questa formulazione ha il vantaggio di essere semplice e di facile applicazione tuttavia presenta alcuni limiti : Non risponde esattamente ai requisiti richiesti per il riconoscimento dei titoli di efficienza energetica in quanto parte del risparmio energetico potrebbe essere ottenuto nella produzione di energia elettrica e quindi non esclusivamente negli usi finali Volendo utilizzare comunque questa formulazione è necessario individuare efficienze di riferimento non generiche ma in linea con le best-practice dei processi che si vogliono sostituire negli usi finali Nel caso che solo parte della produzione elettrica cogenerata sia riconosciuta come cogenerazione ad alto rendimento, il calcolo dovrebbe essere fatto con riferimento a questa quota e il PES così calcolato potrebbe non essere coerente con il risparmio energetico complessivo. 4

5 Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione condensazione applicato ad un caso reale approvato dall Autorità - 1 Nella figura seguente è rappresentato un ciclo combinato cogenerativo dove vengono prodotte due distinte correnti termiche destinate al processo. Una parte del vapore prodotto dalla caldaia a recupero è inviato al condensatore attraverso la turbina. EC EE1 EE2 ET2 ET1 5

6 Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall Autorità - 2 Per il caso rappresentato in figura è stata sviluppata una metodologia di calcolo che consente di valutare il risparmio energetico ottenuto rispetto alla sola produzione termica Risparmio Energetico = Consumo di combustibile relativo alla produzione termica nella produzione separata Consumo di Combustibile relativo alla produzione termica nella produzione combinata Il consumo di combustibile della produzione separata è dato da : Consumo di combustibile = Energia termica utile /ηrift = ET/ ηrift ηrift = rendimento della migliore tecnologia applicabile nella produzione separata relativa al processo termico sostituito 6

7 Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall Autorità - 3 Il consumo di combustibile relativo alla sola produzione termica nella produzione cogenerativa per il processo di produzione riportato nella figura precedente può essere valutato in base alle seguenti considerazioni: Il vapore inviato al processo come produzione termica potrebbe in alternativa essere inviato al condensatore per produrre una ulteriore quantità di energia elettrica La presenza di una produzione termica determina una diminuzione della produzione elettrica : la quota di minore produzione elettrica è proporzionale alla quantità di energia termica prodotta e dipende dalle sue caratteristiche ( pressione e temperatura del vapore inviato al processo ) ed è quindi possibile introdurre un parametro caratteristico β così definito : β = Delta produzione elettrica/delta produzione termica La mancata produzione elettrica può essere sostituita con produzione a sola condensazione con un consumo di combustibile pari a : Ec = Delta produzione elettrica/ηcond = β*et/ηcond 7

8 Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall Autorità - 4 Il risparmio energetico per la produzione destinata agli usi finali termici può essere quindi calcolato con la formula : =( 1 η η 2 1 β1 η 2 β2 η ) Oppure : = 1 1 η 1 β1 η η 2 β2 η Dove : ET1 ed ET2 rappresentano le quantità di energia termica inviate ai 2 livelli termici T1e T2 ηt1 e ηt2 rappresentano i rendimenti best-practice dei processi di produzione termica sostituiti β1 e β2 rappresentano la perdita di produzione elettrica per unità di produzione termica 8

9 Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall Autorità -5 I parametri β e ηcond sono caratteristici del processo di cogenerazione e del processo in assetto esclusivamente elettrico. Sono stati valutati con precisione in occasione del performance test dell impianto. Il parametro ηt è stato valutato con riferimento alle caratteristiche del miglior processo di sola produzione termica sostituito anche in relazione al mix di combustibili utilizzato Nella tabella seguente sono riportati i parametri caratteristici e le quantità energetiche relative ad un anno di funzionamento CALCOLO TEE - IMPIANTO DI COGENERAZIONE CC MISTO ESTRAZIONE-CONDENSAZIONE Parametri caratteristici β1 β2 ηcond η T1 η T2 GWH/GWH GWH/GWH % % % 0, , ,78% 90,48% 90,48% Quantità energetiche EC EE ET1 ET2 GWH GWH GWH GWH 3633,7 1857,5 268,5 252,3 9

10 Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall Autorità - 6 Il calcolo del PES con riferimento al parametro Ref Eη della direttiva Europea per in gas naturale nella produzione elettrica e ad ηt di tabella per la produzione termica dà la seguente formula : =(1 0, , Si ottiene : =11,67 Il risparmio energetico valutato attraverso il PES è dato da: = 100 =

11 Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall Autorità - 7 Il calcolo del risparmio energetico relativo alla sola produzione termica partendo dai dati di tabella utilizza la seguente formula : =( 1 1 η 1 β1 η η 2 β2 η Si ottiene: =28106 La differenza rispetto a quanto ottenuto con l utilizzo del PES è da attribuire al fatto che in questo tipo di calcolo è valorizzato anche il risparmio energetico ottenuto rispetto alla produzione elettrica di riferimento, mentre, con il metodo adottato per il caso reale considerato, il calcolo si riferisce al risparmio relativo alla sola produzione termica La produzione elettrica è tutta inviata alla rete esterna e non è stata presa in considerazione per la valutazione dei titoli di efficienza energetica 11

12 Proposta di un metodo generale applicabile a tutti gli impianti CAR La metodologia presentata può essere generalizzata e resa applicabile a tutti gli impianti CAR anche non caratterizzati dalla presenza di una sezione di produzione elettrica a condensazione. Per processo di cogenerazione con 2 livelli termici la formula generale il calcolo dell energy saving relativo alla produzione termica è la seguente : = 1 1 η 1 1 β1 + 2 β2 η η 2 η Dove : β1ex=exergia del livello termico T1/Entalpia del livello termico T1 ηex= (ET1*β1ex+ ET1*β1ex+EE)/EC (Rendimento exergetico o di 2 princ.) Per l energia termica fornita sotto forma di vapore o acqua surriscaldata la formula di valutazione di β1ex diventa : 1 =(( 1 0) ( 1 0))/( 1 0) Dove H1 e S1 sono l entalpia ed entropia del fluido al livello T1, H0,S0 E T0 sono rispettivamente l entalpia, l entropia e la temperatura assoluta del livello di riferimento che normalmente è l ambiente a 15 C ( 288,15 K) 12

13 Proposta di un metodo generale applicabile a tutti gli impianti CAR Nel caso generale deve essere considerata anche l energia elettrica cogenerata in quanto si può produrre risparmio negli usi finali se è questa destinata ad autoconsumo all interno del sito produttivo. Anche l effetto energetico della produzione inviata alla rete nazionale deve essere valutato. E necessario quindi tenere in considerazione altri due fattori : L Energia Elettrica destinata al consumo interno che produce un saving energetico pari a : 1 1 = ( 1 ) L Energia Elettrica in esubero alimentata alla rete elettrica nazionale che produce un effetto energetico pari a : 1 2= ( 1 ) I rendimenti di riferimento elettrici interni ed esterni sono diversi per effetto delle diverse perdite di rete da considerare Il termine ES2 non deve essere considerato nel calcolo dei titoli se il contributo risulta positivo, nel caso che il contributo sia negativo è opportuno che questo determini un effetto di riduzione del numero dei titoli di efficienza energetica prodotti. 13

14 Proposta di un metodo generale applicabile a tutti gli impianti CAR La formulazione finale risulta quindi la seguente : =( 1 1 η 1 β1 η η 2 β2 + η 1 1 η Dove ESEErete è pari a : 0 se : ( 1 1 )> η 1 η 0 14

15 Analisi di confronto su casi industriali CAR reali di grande taglia Nelle tabelle seguenti sono riportati i dati caratteristici di tre alternative impiantistiche che saranno utilizzati per il calcolo dei titoli di efficienza energetica secondo la metodologia proposta : DATI CARATTERISTICI PER IL CALCOLO DI TITOLI DI EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI IMPIANTI CAR CASO1 PES= 13,51% Parametri caratteristici β1ex β2ex β3ex ηex R 1 DirEu η T1 η T2 η T3 GWH/GWH GWH/GWH GWH/GWH % % % % % 0, , , ,27% 80,13% 90,48% 90,48% 90,48% Quantità energetiche EC EE netta EE lorda EEautoc EE rete ET1 ET2 ET3 GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH 4862,6 1679,6 1738,4 876,0 803,6 379,2 512,9 1265,8 CASO2 PES= 20,34% Parametri caratteristici β1ex β2ex β3ex ηex R 1 DirEu η T1 η T2 η T3 GWH/GWH GWH/GWH GWH/GWH % % % % % 0, , , ,17% 87,49% 90,48% 90,48% 90,48% Quantità energetiche EC EE netta EE lorda EEautoc EE rete ET1 ET2 ET3 GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH 4364,1 1604,0 1660,1 876,0 728,0 379,2 512,9 1265,8 CASO3 PES= 23,21% Parametri caratteristici β1ex β2ex β3ex ηex R 1 DirEu η T1 η T2 η T3 GWH/GWH GWH/GWH GWH/GWH % % % % % 0, , , ,20% 90,70% 90,48% 90,48% 90,48% Quantità energetiche EC EE netta EE lorda EEautoc EE rete ET1 ET2 ET3 GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH 4219,4 1612,8 1669,2 876,0 736,8 379,2 512, ,8

16 Analisi di confronto su casi industriali CAR reali di grande taglia I tre casi confrontati superano il valore limite del rendimento di 1 principio del 80% e il valore di PES del 10% per cui, tutta l energia elettrica prodotta sarà da CAR I risultati delle prestazione energetiche calcolati con la metodologia PES e quella proposta sono i seguenti : CALCOLO DEI TITOLI DI EFFICIENZA ENERGETICA TEE PES TEE prop. TEE termici TEE EE autoc TEE EE rete CASO CASO CASO Nel calcolo è stato utilizzato Rriferete=0,525 e Rrifeautoc=0,525*0,985 Come si può notare, nel caso 1 tutti e due i termini elettrici sono negativi e quindi sono stati sommati in termini algebrici, nei casi 2 e 3 i termini elettrici sono entrambi positivi e il solo termine di autoconsumo è stato sommato 16

17 Impianti di teleriscaldamento cogenerativi con produzione di effetto frigorifero In questo caso i termini di calcolo aumentano per tener conto della presenza di una produzione che produce effetti di refrigerativi rispetto ad analoga produzione separata Si possono presentare due casistiche : 1- La centrale di teleriscaldamento nel periodo estivo produce energia termica che va ad alimentare un impianto frigorifero ad assorbimento 2- La centrale di teleriscaldamento produce una corrente di acqua a bassa temperatura che alimenta le utenze Nel primo caso il calcolo del rendimento di 2 principio rimane inalterato e deve essere considerato un ulteriore termine di risparmio energetico dato da : = ( β η ) Dove COP reale è il COP del ciclo di assorbimento alimentato dalla rete di teleriscaldamento COP bat è la best reference che in termini di ciclo ad assorbimento si assume essere quella che utilizza macchine ad assorbimento alimentate a gas naturale βex è il β relativo al livello termico del calore del teleriscaldamento 17

18 Impianti di teleriscaldamento cogenerativi con produzione di effetto frigorifero Nel secondo caso è necessario introdurre una nuova corrente utile per il calcolo del rendimento di 2 principio il cui contenuto exergetico viene valutato con le formule sopra proposte nelle quali sono considerate : - Le temperature del fluido freddo inviato e del fluido di ritorno - Come riferimento la temperatura media del periodo in cui viene prodotto l effetto frigorifero. Il termine relativo all effetto frigorifero diventa : = ( β η ) Dove : ET frig sono le frigorie cedute all utenza Rrifebt è il rendimento medio della produzione elettrica nazionale riferito alla rete bt COPbatc è il COP della best practice con ciclo a compressione βex è il rapporto fra il contenuto exergetico e quello entalpico del fluido frigorifero. 18

19 Impianti di teleriscaldamento cogenerativi con produzione di effetto frigorifero Nelle successiva tabella sono riportati i parametri caratteristici di due soluzioni impiantistiche per un impianto di teleriscaldamento che prevede anche la fornitura di calore estivo ad utenza dotata di impianti di produzione frigorifera con ciclo ad assorbimento. TELERISCALDAMENTO - DATI CARATTERISTICI PER IL CALCOLO TEE CASO 1 Parametri caratteristici β1ex ηex R 1 DirEu η Teler COPreale COPbat GWH/GWH % % % 0, ,87% 86,13% 91,00% 0,600 1,10 Quantità energetiche EC EE netta EE lorda EEautoc EE rete ET Telerisc ET Teleraf GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH 570,0 207,3 214,5 120,0 87,3 231,4 45 CASO2 Parametri caratteristici β1ex ηex R 1 DirEu η Teler COPreale COPbat GWH/GWH % % % 0, ,76% 83,23% 91,00% 0,600 1,10 Quantità energetiche EC EE netta EE lorda EEautoc EE rete ET Telerisc ET Teleraf GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH 728,5 318,8 330,0 120,0 198,8 231,

20 Impianti di teleriscaldamento cogenerativi con produzione di effetto frigorifero La tabella successiva riporta il calcolo dei titoli di efficienza energetica effettuato secondo la metodologia proposta e suddivisi per contributo delle differenti produzioni utili: CALCOLO DEI TITOLI DI EFFICIENZA ENERGETICA TELERISCALDAMENTO TEE PES TEE prop. TEE termici TEE ass-frig TEE EE autoc TEE EE rete CASO CASO , Come si vede, nel caso 2 che ha una efficienza di produzione elettrica superiore a quella di riferimento, il contributo relativo alla quota di energia elettrica immessa in rete non viene considerato. 20

21 CONCLUSIONI La cogenerazione ad alto rendimento è una tecnologia caratterizzata da un elevato risparmio energetico rispetto alla produzione separata ed è quindi essenziale che questo risparmio venga correttamente valutato ed incentivato attraverso il meccanismo dei titoli di efficienza energetica La metodologia proposta consente una valutazione accurata degli effetti energetici di un processo nel quale vengono prodotte congiuntamente correnti che si differenziano per il contenuto energetico e per la tipologia di processo separato sostituito Questa metodologia permette, inoltre, di individuare e separare l effetto di miglioramento dell efficienza del sistema produttivo elettrico da quello di incremento dell efficienza negli usi finali Nel calcolo vengono valutati gli effetti energetici di ogni singola corrente cogenerata e le correnti di energia termica vengono differenziate in relazione al contenuto exergetico. Ciò consente di attribuire correttamente i titoli di efficienza prodotti ad ogni singola corrente e quindi di valorizzare in modo equo l effetto energetico anche in termini commerciali 21