MICRO-COGENERAZIONE tecnologie e vantaggi delle fuel cell

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1 MICRO-COGENERAZIONE tecnologie e vantaggi delle fuel cell Paolo Baggio - UNITN P. Baggio - Borgo - nov

2 Perché la Cogenerazione Co-generazione = produzione combinata di calore ed energia elettrica Il calore è la forma meno pregiata di energia (infatti costa meno) La generazione di energia elettrica tramite un motore termico implica comunque il rilascio di calore all ambiente P. Baggio - Borgo - nov

3 Perché la Cogenerazione Nella maggior parte dei casi l energia elettrica viene ottenuta dall energia termica (combustione) tramite i cosiddetti motori termici (a vapore, alternativi a ciclo Otto o Diesel, turbine a gas). In tal caso, il secondo principio della termodinamica pone dei limiti teorici al rendimento termico di conversione ηt: Energia Elettrica Ottenuta η t = Energia Termica Fornita Nelle migliori realizzazioni (cicli combinati) il rendimento termico di ηt può arrivare al 50 60% ma nei casi pratici raramente il rendimento supera il 40%. Il rendimento medio del sistema elettrico italiano vien assunto pari al 46% (delibera AEEG EEN 3/08). P. Baggio - Borgo - nov

4 P. Baggio - Borgo - nov

5 Perché la Cogenerazione Sources used for electricity production in Europe (source: EU energy and transport in figures European Communities, 2010) P. Baggio - Borgo - nov

6 Perché la Cogenerazione Final energy consumption in Europe (source: EU energy and transport in figures European Communities, 2011) P. Baggio - Borgo - nov

7 Impianto di Generazione Tradizionale Output singolo (elettricità) Può utilizzare differenti tipi di combustibile Rilascia il calore di scarto nell ambiente (aria, fiumi o laghi) Combustibile (100%) Perdite al camino e calore di scarto rilasciato nell ambiente (70%) Impianto tradizionale Elettricità P. Baggio - Borgo - nov Energia utile (30%)

8 Turbina a gas con ciclo combinato (best available technology) Output singolo (elettricità) Solo combustibile pregiato (di solito gas naturale o gasolio) Rilascia il calore di scarto nell ambiente (aria, fiumi o laghi) Combustibile (100%) P. Baggio - Borgo - nov Perdite al camino e calore di scarto rilasciato nell ambiente (40-45%) Ciclo combinato Energia utile (55-60%) Elettricità

9 Impianto di Cogenerazione Output doppio (elettricità e calore) Può utilizzare differenti tipi di combustibile NON rilascia il calore di scarto nell ambiente Combustibile (100%) Perdite al camino e calore di scarto rilasciato nell ambiente (10-15 %%) Calore Impianto tradizionale Energia utile (80-90%) Elettricità P. Baggio - Borgo - nov

10 Il rapporto Elettrico/Termico La caratteristica più importante di un impianto di cogenerazione è il rapporto tra Potenza elettrica generata e Potenza termica Utile Deve essere compatibile con il profilo di carico elettrico e termico dell utenza Nelle applicazioni industriali non ci sono usualmente grandi variazioni stagionali P. Baggio - Borgo - nov

11 Il rapporto Elettrico/Termico Nelle applicazioni civili l impianto di cogenerazione è usualmente accoppiato ad un impianto di teleriscaldamento Vanno studiati sistemi per mitigare le fluttuazioni stagionali: ad esempio accoppiamento con macchine frigorifere ad assorbimento per il servizio estivo P. Baggio - Borgo - nov

12 Cogenerazione in grandi impianti (es. - turbina a gas) P. Baggio - Borgo - nov

13 Perché la Cogenerazione P. Baggio - Borgo - nov

14 Il Rendimento globale Impianti tradizionali P. Baggio - Borgo - nov

15 Vantaggi della (micro) cogenerazione Riduzione dei consumi di energia primaria Riduzione delle emissioni rispetto agli impianti di combustione tradizionale (in aggiunta a quelle evitate grazie alla riduzione del consumo di energia primaria) Possibilità di generazione diffusa (vicino all'utenza) che, se ben gestita, può portare alla riduzione delle perdite in rete. P. Baggio - Borgo - nov

16 Microcogenerazione «unità di micro-cogenerazione»: un'unità di cogenerazione con una capacità massima inferiore a 50 kw la produzione mediante unità di piccola cogenerazione e di micro-cogenerazione che forniscono un risparmio di energia primaria può essere definita cogenerazione ad alto rendimento (dalla Direttiva 2004/8/CE) P. Baggio - Borgo - nov

17 Motori alternativi P. Baggio - Borgo - nov

18 Motori alternativi P. Baggio - Borgo - nov

19 Motori alternativi Utilizzano motori concettualmente simili a quelli delle automobili alimentati a gas di rete Manutenzione ogni ore Attualmente i più diffusi Quelli di picola taglia hanno rapporto termico/su elettrico intorno a 2 P. Baggio - Borgo - nov

20 Microturbine P. Baggio - Borgo - nov

21 Motri Stirling Vanno sempre accoppiati ad una caldaia essendo motori a combustione esterna P. Baggio - Borgo - nov

22 Celle a combustibile Oppure con celle a combustibile che: Sono macchine stazionarie (poche parti in movimento e quindi molto silenziose) Effettuano una ossidazione lenta con emissioni molto basse rispetto a quelle tipiche di un processo di combustione Hanno la potenzialità, una volta entrate in produzione di massa, di richiedere poca manutenzione. Hanno un rapporto P. Baggio - Borgo termico/elettrico - nov circa pari a 1

23 Celle a combustibile schema di principio P. Baggio - Borgo - nov

24 Prestazioni celle a combustibile Potenza Totale Potenza Elettrica PotenzaTermica Potenza erogata / [mw cm-2] Densità di corrente / [ma cm-2] P. Baggio - Borgo - nov

25 Prestazioni celle a combustibile 200% 180% 160% rendimento pot. termica /pot. elettrica 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Densità di corrente / [ma cm-2] P. Baggio - Borgo - nov

26 Consumi tipici di una abitazione energia consumata / [kwh] consumi elettrici obbligati (kwh) consumi acqua calda sanit. (kwh) consumi riscaldamento (kwh) cons. TOTALI (kwh) 0 TRENTINO VENETO LAZIO ITALIA Fabbisogno medio annuo di energia per un abitazione abitata da 4 persone. P. Baggio - Borgo - nov

27 Microcogenerazione negli edifici residenziali Una tipologia di fabbisogno energetico che si presta ad essere coperta con micro-cogenerazione da celle a combustibile è la produzione di acqua calda sanitaria che si può stimare in circa 2700 kwh termici/anno (9700 MJ) (tale valore corrisponde a circa 45 litri al giorno di acqua calda per persona ed è coerente con le norme UNI 9182 sul dimensionamento degli impianti di distribuzione acqua calda e fredda). Considerando che i consumi elettrici medi sono intorno ai 3000 kwh, si ha un rapporto termico/elettrico mediamente pari a 0,9 P. Baggio - Borgo - nov

28 Il mercato della microcogeneazione Da : FIRE - Analisi del mercato della microcogenerazione in italia con riferimento a dimensionamento, performance e gestione P. Baggio - Borgo - nov

29 Microcogenerazione con motori alternativi Nel mercato globale le fuel cell stanno superando i motori alternativi (i mercati principali sono Giappone e Germania) P. Baggio - Borgo - nov

30 Indici di Valutazione (attuali) DIRETTIVA 2004/8/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO E DEL CONSIGLIO dell'11 febbraio 2004 sulla promozione della cogenerazione basata su una domanda di calore utile nel mercato interno dell'energia e che modifica la direttiva 92/42/CEE P. Baggio - Borgo - nov

31 Indici di Valutazione (attuali) PES=(1 CHP Hη Ref Hη 1 ) CHP Eη Ref Eη PES = risparmio energia primaria CHP Hη = rendimento medio annuo di cogenerazione del calore (calore utile/combustibile consumato per CHP) CHP Eη = rendimento medio annuo di cogenerazione elettrica (energia eletttrica/combustibile consumato per CHP) Ref Hη = rendimento di riferimento produz. del calore (separata) Ref Eη = rendimento di riferimento produz. elettricità (separata) P. Baggio - Borgo - nov

32 Grazie per l'attenzione! P. Baggio - Borgo - nov