I vantaggi energetici ed ambientali della piccola e micro cogenerazione

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1 Università di Ferrara GIORNATA DI STUDIO Cogenerazione distribuita per applicazioni civili e residenziali Ferrara, 5 dicembre 2007 I vantaggi energetici ed ambientali della piccola e micro cogenerazione

2 Alcune definizioni Cogenerazione : produzione combinata, in un unico processo, di energia termica ed energia elettrica e/o meccanica Generazione distribuita : l insieme degli impianti di generazione con potenza nominale inferiore a 10 MVA (AEEG 160/06) Impianto di piccola/micro generazione un impianto per la produzione di energia elettrica, anche in assetto cogenerativo, con capacità di generazione non superiore a 1 MWe o a 50 kwe (2004/8/CE Dlg n 20 del 08/02/07) Gas naturale Gasolio Biomassa Rifiuti Elettricità/energ. meccanica calore freddo

3 Le applicazioni della Generazione Distribuita Generazione continua in parallelo con la rete elettrica nazionale ( grid connected ) sia cogenerativa che solo elettrica Generazione continua ad isola sia cogenerativa che solo elettrica Stand by per garantire sicurezza nella fornitura elettrica Peakshaving per far fronte ad elevate richieste di potenza per periodi di tempo limitato Power quality per garantire tensione e frequenza costante a salvaguardia di un processo produttivo

4 I combustibili della CoGenerazione Distribuita Cogenerazione < 10 MVA (AEEG 160/06) Cogenerazione < 1 MW (AEEG 160/06)

5 Potenzialità della CoGenerazione Distribuita Energetiche Ambientali Sicurezza Economici Riduzione nel consumo di combustibili fossili Sfruttamento di siti rinnovabili Riduzione delle perdite energetiche nel trasporto Riduzione delle grosse infrastrutture per il trasporto Mitigazione del problema legato all elettrosmog Riduzione delle emissioni in atmosfera Riduzione del rischio di black out Alleggerimento del carico delle reti elettriche Risparmi sui costi per gli approvvigionamenti energetici (acquisto della materia prima gas invece del prodotto finito energia elettrica )..

6 La risparmio di combustibili e di emissioni: non sempre piccolo è bello Rendimento elettrico [%] Costo specifico (euro/kw) Potenza elettrica [MWe] Potenza elettrica [MWe]

7 Il risparmio di combustibile: la normativa vigente e futura

8 La definizione di cogenerazione Delibera AEEG 42/02 (normativa in vigore) Direttiva 2004/8/CE (già recepita ed in vigore dal 2011) Cogenerazione eʹ la produzione combinata di energia elettrica e calore alle condizioni definite dallʹautoritaʹ per l Energia Elettrica e il Gas, che garantiscano un significativo risparmio di energia rispetto alle produzioni separate Cogenerazione èla generazione simultanea in un unico processo di energia termica ed elettrica e/o di energia meccanica Cogenerazione ad alto rendimento se consente risparmi energetici conformi ai criteri indicati nella Direttiva Elettricità da cogenerazione è l elettricità generata in un processo abbinato alla produzione di calore utile e calcolata secondo i criteri della Direttiva stessa Cogenerazione ad alto rendimento con efficienza particolarmente elevata secondo criteri in corso di definizione da parte dell AEEG (atto 30/07 7/2007)

9 Le condizioni da rispettare Delibera AEEG 42/02 (normativa in vigore) Direttiva 2004/8/CE (già recepita ed in vigore dal 2011) per essere cogenerativi IRE > LT > IRE lim LT lim risparmiare combustibile per essere cogenerativi ad alto rendimento PES > e soddisfare una richiesta di calore utile PESlim energia elettrica da cogenerazione

10 Gli indici cogenerativi Delibera AEEG 42/02 (normativa in vigore) Direttiva 2004/8/CE (già recepita ed in vigore dal 2011) IRE = PES = 1 η E es e E p c + E η t ts IRE > 0,1 PES 0, 1 > 0 per la piccola cogenerazione

11 La produzione elettrica separata: il rendimento elettrico di riferimento Delibera AEEG 42/02 (normativa in vigore) Direttiva 2004/8/CE (già recepita ed in vigore dal 2011) Taglia di riferimento < 1 MWe >1 fino a 10 MWe >10 fino a 25 MWe >25 fino a 50 MWe >50 fino a 100 MWe Gas naturale, gpl, gasolio Altri fuel Tipo di combustibile CARBONE FOSSILE COMBUSTIBILI A BASE DI LEGNO BIOMASSE AGRICOLE.. PETROLIO, GPL BIOCARBURANTI Anno costruzione: ,2 33,0 25,0 44,2 44,2 >100 fino a 200 MWe >200 fino a 300 MWe >300 fino a 500 MWe GAS NATURALE BIOGAS 52,5 42,0 >500 MWe

12 La produzione elettrica separata: il fattore p Delibera AEEG 42/02 (normativa in vigore) Direttiva 2004/8/CE (già recepita ed in vigore dal 2011) p = p im E E e,im e,im + p + E ac E e,ac e,ac BT p im 0,957 p ac 0,935 <0,4 kv p im 0,925 p ac 0,860 MT AT 0, ,957 0,972 0,4-50 kv kv kv 0,945 0,965 0,985 0,925 0,945 0,965 >200 kv 1 0,985

13 La produzione termica separata: il rendimento termico di riferimento Delibera AEEG 42/02 (normativa in vigore) Direttiva 2004/8/CE (già recepita ed in vigore dal 2011) usi civili = 80 % usi industriali = 90 % Tipo di combustibile Solido Liquido Vapore/acqua calda Utilizzo diretto gas di scarico Gas naturale Altri comb.. gassosi

14 Limite sulla minima produzione di calore LT Delibera AEEG 42/02 (normativa in vigore) Il Limite Termico Tutti gli altri = E impianti a gas, gpl e gasolio e E + t < 10 MWe 0,33 E t LT Tra i 10 e i 25 MWe 0,22 0,15 min Limiti sul LT min per il biennio 2006/2007 > 25 MWe 0,15 Direttiva 2004/8/CE (già recepita ed in vigore dal 2010) Energia elettrica da cogenerazione: solo parte della produzione elettrica viene riconosciuta cogenerativa η e η e + η t + η t < 0, 75 0, 75 E e = tutta E = C e CE t = 0, 75 C = 0,55 MCI TG

15 Confronto piccola/micro cogenerazione tra 42/02 e 2004/8/CE 1.0 Cogenerazione con MCI gas naturale autoconsumo in BT η t η U = 0.75 ok 2004/8/CE e 42/02 ok 42/02 - no 2004/8/CE η U = C = 0.75 LT=0.33 PES=0 IRE= η e 0.5

16 Confronto piccola/micro cogenerazione tra 42/02 e 2004/8/CE 1.0 Cogenerazione con MCI gas naturale autoconsumo in BT η t ok 2004/8/CE e 42/02 ok 42/02 - no 2004/8/CE Come si posizionano i cogeneratori in commercio (dati di targa) Recupero Termico 100% del totale disponibile Recupero termico totale η 0.5 e

17 Confronto piccola/micro cogenerazione tra 42/02 e 2004/8/CE 1.0 Cogenerazione con MCI gas naturale autoconsumo in BT η t ok 2004/8/CE e 42/02 ok 42/02 - no 2004/8/CE Come si posizionano i cogeneratori in commercio (dati di targa) Recupero Termico 75% del totale disponibile Recupero termico pari al 75 % del totale η 0.5 e

18 Confronto piccola/micro cogenerazione tra 42/02 e 2004/8/CE 1.0 Cogenerazione con MCI gas naturale autoconsumo in BT η t ok 2004/8/CE e 42/02 ok 42/02 - no 2004/8/CE Come si posizionano i cogeneratori in commercio (dati di targa) Recupero Termico 50% del totale disponibile Recupero termico pari al 50% del totale η 0.5 e

19 Il risparmio di emissioni: iter normativo ancora in atto

20 Obiettivi delle nuove normative UNITA DI MISURA PIU IDONEA PER INDICARE LE EMISSIONI VALORI LIMITE DI EMISSIONI PER UN SISTEMA COGENERATIVO METODI DI CALCOLO DELLE EMISSIONI EVITATE DA UN COGENERATORE RISPETTO ALLA PRODUZIONE SEPARATA

21 Unità di misura Concentrazione nei fumi secchi - γ x x : percentuale di O 2 nei fumi secchi mg 3 Nm ppm! Limitazioni! Emissione specifica input based λ mg λ = γ 21 X x PCI K K=K (x C, x H, x N, x O, x S ) kwh pci Noto il combustibile Emissione specifica output based δ δ = λ η conv Caldaia Motore η conv = η th η conv = η e mg kwh th mg kwh e Contiene l efficienza di conversione Emissione assoluta λ Λ = δ P h = η e P h

22 Vantaggi approccio output based (emissioni espresse con riferimento alla produzione utile) sinergia tra le politiche di efficienza energetica e di contenimento dell impatto ambientale; l incremento dell efficienza energetica è una tecnica di riduzione delle emissioni che agisce contemporaneamente su tutte le specie inquinanti; incentiva l incremento di efficienza come alternativa all adozione di sistemi di post trattamento.

23 Quali valori limite da rispettare 1. Assoggettare un sistema cogenerativo agli stessi limiti autorizzativi ambientali previsti per il motore primo 2. Assoggettare un sistema cogenerativo agli stessi limiti autorizzativi ambientali previsti per un impianto di sola generazione di calore (in base al comma 86 dell art. 1 della legge Marzano 239/2004) 3. Assoggettare un sistema cogenerativo a limiti autorizzativi ambientali appositamente introdotti per la cogenerazione

24 Quali valori limite da rispettare (II) 1. Impiego dei valori limiti dei motori primi Idoneo per cogeneratori topping : E e effetto utile primario ; E t sottoprodotto recuperato a valle del processo termodinamico primario 2. Impiego dei valori limiti delle caldaie Idoneo per cogeneratori bottoming. Nel caso dei topping equiparare MCI o TG ad una caldaia non è corretto; esistono differenze per: tipologia e meccanismi di formazione degli inquinanti, condizioni di combustione (stazionarie o meno, livelli pressioni, ecc ), cicli di prova previsti dalle norme per la misura delle emissioni 3. Limiti appositamente introdotti per la cogenerazione Demanda alle autorità competenti il compito di quantificare il beneficio ambientale della cogenerazione; si rischia il proliferare di interpretazioni soggettive e/o fuorvianti

25 Metodi di valutazione del risparmio di emissioni dovuto alla cogenerazione Caldaia evitata Ecabert emissioni riferite all energia elettrica IRE Caldaia equivalente Elettrico evitato IRA emissioni riferite all energia termica Nuovo indice

26 Il metodo della caldaia evitata Il beneficio ambientale della cogenerazione è legato al fatto che, grazie al recupero termico, posso evitare di tenere in esercizio una caldaia, risparmiando quindi le emissioni della stessa. Motore primo non cogenerativo + E e Mot. E t - Motore primo in assetto cogenerativo E e Mot.cog. E t

27 1000 emissioni evitate [mg/kwhe] δavd λt = ηt Il metodo della caldaia evitata un esempio applicativo ηt ηe NOx 3 stelle 4 stelle caldaia 1 stella emissioni caldaia di riferimento [mg/kwht] λ' t η' t MTG η e = 30 % η t = 55% 50 15% O2

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