La cogenerazione industriale in Italia Tecnologie presenti e potenzialità future Ennio Macchi. Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano

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1 La cogenerazione industriale in Italia Tecnologie presenti e potenzialità future Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano Assolombarda - 12 dicembre 2011

2 CONTENUTI DELLA PRESENTAZIONE 2 Premesse termodinamiche/tecnologiche Il quadro attuale (dati Terna 2010) per impianti di grande taglia Il quadro attuale della cogenerazione nella generazione distribuita (GD < 10 MVA) Il quadro attuale della cogenerazione di piccola taglia (PG < 1 MW el ) Le prospettive della micro-cogenerazione (MG<50 kw el )

3 PERCHÉ TANTO ENTUSIASMO PER LA COGENERAZIONE, IN SEDE EUROPEA E INTERNAZIONALE? 3 Perché è imbattibile in termini di risparmio energetico (se ben applicata) E facile, senza grandi sforzi tecnologici, fare meglio dei migliori impianti per sola generazione di energia elettrica (guadagnare un punto di rendimento con impianti convenzionali è un impresa, guadagnarne molti con la cogenerazione è facile) Perché i risparmi energetici corrispondono a importanti benefici ambientali (locali e planetari) Gran parte della cogenerazione è basata sul gas naturale, il combustibile più pulito e utilizza turbine a gas, le macchine dove si realizza la miglior combustione (minori quantità di NOx) Minori emissioni di gas serra

4 GRANDI RISPARMI, SENZA MIRACOLI TECNOLOGICI! 4 BASTA UNA MACCHINA CON UN RENDIMENTO DEL 32% PER RISPARMIARE IL 18.3% SE VOLESSI OTTENERE LO STESSO RISPARMIO CON UN CICLO COMBINATO PER SOLA GENERAZIONE ELETTRICA, DOVREI AVERE UN RENDIMENTO MEDIO ANNUO > 64%

5 Tecnologia dominante = CC DATI 2009 (da AEEG) 5

6 Rapporti energia elettrica e calore DATI 2009 (da AEEG) 6

7 Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia (2010) con riferimento al gas naturale (dati TERNA) 7 energia elettrica lorda energia combustibile energia termica utile rendimento elettrico lordo rendimento termico netto rendimento totale rendimento "corretto" risparmio GWh/a GWh/a GWh/a % % % % % cicli combinati '670 22' % 13.44% 60.56% 55.38% 4.06% motori a combustione interna 3'899 11'555 4' % 35.07% 68.81% 55.29% 2.84% cicli a vapore a condensazione e spillamento 721 3'220 1' % 40.09% 62.49% 40.39% % cicli a vapore a contropressione 1'202 6'501 3' % 54.87% 73.36% 47.36% -4.16% turbine a gas a recupero semplice 3'306 10'892 4' % 43.45% 73.81% 58.69% 5.50% totali cogenerazione 86' '837 35' % 18.18% 62.23% 55.20% 3.56% termoelettrico (solo produzione elettrica a gas) 66' ' % 0.00% 52.76% 52.76% 0.00% termoelettrico totale 230'471

8 Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia (2010) 8 Connotati caratterizzanti: Il contributo della cogenerazione a gas naturale alla produzione complessiva è molto significativo (86.7 TWh su 230.5) Si utilizza molto più GN in impianti di cogenerazione che in centrali termoelettriche per sola produzione elettrica E fortemente sbilanciata sulla produzione elettrica (86.7 TWh el contro 35.8 TWh t ) Tecnologie La tecnologia dominante è il ciclo combinato (76.7 TWh su 86.7) Seguono (a grande distanza) i MCI e le TG Ruolo modesto dei cicli a vapore (una volta la tecnologia dominante) Il risparmio di energia primaria è modesto (3,56%), rispetto a una generazione separata moderna (rendimento medio dell attuale parco termoelettrico italiano a gas naturale, caldaie con rendimento 90%) Quali margini di miglioramento? Con cogenerazione ad alto rendimento, si potrebbero triplicare questi risparmi, a parità di domanda termica

9 Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia con riferimento al gas naturale e alla direttiva europea 9 Nessuna tecnologia raggiunge PES>10% in media Molti impianti esistenti potrebbero essere meglio gestiti (nessuna tecnologia in media raggiunge un rendimento totale pari a 80%), molti impianti dissipano all ambiente troppa energia La domanda termica soddisfatta da impianti a vapore a condensazione e spillamento alimentati a gas naturale è relativamente modesta, buona parte delle trasformazioni in ciclo combinato di questi impianti è già avvenuta. Vi ancora spazio per operazioni di repowering di impianti attualmente utilizzanti cicli a vapore a contropressione

10 Come si muove il mercato (dal 2009 al 2010, dati Terna) Nel corso del 2010 sono entrati in servizio 340 sezioni di impianti termoelettrici, di cui oltre 250 di cogenerazione: grande prevalenza di motori a combustione interna, con potenze medie fra 1 e 2 MW el poche turbine a gas a recupero (9) pochi impianti a condensazione e spillamento (9) 10 Nessun ciclo combinato cogenerativo di grande taglia (pochi anche non cogenerativi!)

11 C è ancora spazio per la cogenerazione industriale? 11 Che frazione dei circa 15 miliardi di mc/anno (circa 150 TWh/anno) di GN destinati all industria va a generare calore in modo inefficiente? Quante caldaie industriali potrebbero essere sostituite da sistemi cogenerativi? Quali risparmi di energia primaria e di emissioni di gas clima-alteranti si potrebbero ottenere? Che frazione dei circa 30 miliardi di mc/anno destinati a civile e terziario potrebbe essere destinata a sistemi cogenerativi? Sono convinto che il potenziale sia molto interessante!

12 12 GD

13 GENERAZIONE DISTRIBUITA Quali nuovi spazi per la generazione distribuita? 13 TG Sottostazioni MOTORI Motori MOTORI Fuel cell Utenze Commerciali BATTERIE Volani FUEL CELL Utenti residenziali Turbina a Gas Utenze Commerciali Utenze Industriali

14 Impianti con potenza < 10 MVA (fonte: AEEG) 14

15 Solo energia elettrica: soprattutto bio, poco GN 15

16 Cogenerazione: soprattutto GN, poco bio 16

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23 23 PG

24 Piccola generazione: soprattutto idro, moltissimi PV, pochissimi a GN 24

25 PG: soprattutto idro, PV e BIO 25

26 Rinnovabili, quasi tutta l energia è immessa in rete 26

27 Circa metà dei termoelettrici di PG non cogenerano 27

28 Gli impianti bio non cogenerano 28

29 Se si usa GN, si cogenera 29

30 Quasi tutti MCI, poche TVC, poche TG 30

31 Il mercato non mostra grandi sviluppi 31

32 Dai grandi impianti ai micro-impianti 32 Non c è solo la grande cogenerazione industriale L Italia è piena di PMI Terziario Residenziale

33 Ci piacerebbe che, fra dieci anni, migliaia (milioni?) di 33 cucine italiane si presentassero così. Fra gli elettrodomestici, anche un microcogeneratore inserito nella cucina Il motore sostituisce/integra la caldaietta domestica nella generazione di calore e contemporaneamente cogenera energia elettrica, interfacciandosi sulla rete BT, con cui scambia energia elettrica in modo intelligente, esportandola nei periodi in cui è pregiata, importandola quando è poco pregiata In Italia si vende oltre un milione di caldaiette a gas motore Stirling (o altro microcogeneratore)

34 Un laboratorio del dipartimento di Energia del Politecnico di Milano

35 L interno della cella di prova del laboratorio di microcogenerazione (da 1 kwe a 100 kwe) Prove su ogni tipologia di microcogeneratore e trigeneratore

36 Lo schema idraulico Acqua di torre Circuito 01 Acqua refrigerata Acqua riscaldata Circuito 11 Circuito 12 Circuito 02 Circuito 03 Caldaia Q Q Q Circuito 13 Q - + T T T T Unità Trattamento Aria AREA IMPIANTI Generatore FA Recupero alta temp. Recupero bassa temp Condensatore FA Evaporatore FA CELLA DI PROVA

37 Impianto idraulico Sala controllo

38 Microgenerazione o microcogenerazione? 38 è inevitabile che la generazione distribuita alimentata a gas naturale sia fortissimamente cogenerativa, perché solo grazie alla cogenerazione si possono ottenere i benefici energetici e ambientali che possono giustificare un (indispensabile) quadro normativo e tariffario incentivante e perché la valorizzazione del calore è fondamentale nel bilancio economico dell operazione. Si deve co-produrre elettricità e calore in modo intelligente, vale a dire recuperando sempre integralmente il calore e concentrando la produzione elettrica nei periodi in cui essa è più pregiata. Questo consentirebbe di ottenere un rendimento unitario (imbattibile, dal momento che anche le migliori centrali di grande scala per sola generazione elettrica non arrivano al 60%) nella generazione di energia elettrica da gas naturale, per di più in ore pregiate ed esente dalle perdite di rete.

39 Le tecnologie di oggi e di domani (combustibili fossili) Cicli ibridi con FC + turbina a gas (Cap. 5.6) Cicli combinati Rendimento elettrico, % Celle a combustibile (Cap.5) Mot. Stirling (Cap. 3) PEM TPV (Cap. 6) SOFC PAFC MCFC Micro-turbine a gas (Cap. 4) TV TG AD TG HD Motori a c.i (Cap. 3.1) USC e IGCC MICRO MINI Taglia impianto [kw]

40 Tutte le tecnologie consentono risparmi energetici importanti, se operano con recupero integrale del calore 40 Rendimento elettrico, % Cicli ibridi con celle a combustibile + turbina a gas (Cap. 5.6) Celle a combustibile MCFC e SOFC (Cap. 5.4 e 5.5) Celle a combustibile ad acido fosforico e PEM (Cap. 5.2 e 5.3) Motori a combustione interna (Cap. 3.1) Micro-turbine a gas (Cap. 4) IRE=0 scenario avanzato IRE=0 scenario convenzionale Recupero termico realistico Motori Stirling (Cap. 3.2) Sistemi TPV (Cap. 6.1) Rendimento termico, %

41 Cogenerazione oppure Trigenerazione? 41 La domanda termica nei settori residenziale e terziario è fortemente stagionale: per molti mesi dell anno il microgeneratore deve operare per periodi molto ridotti La possibilità di recuperare il calore per generare freddo è fondamentale per ampliare il periodo di funzionamento del microgeneratore (e fa bene al diagramma di consumo annuale del gas) Per taglie non piccolissime, la soluzione è praticabile Spesso conviene ampliare il campo operativo aggiungendo nel sistema trigenerativo oltre a un frigorifero ad assorbimento anche un sistema a compressione (frigorifero/pompa di calore).

42 105 Carico (% di picco termico) Domanda termica Domanda frigorifera Domanda elettrica mesi