Quale futuro per le reti di teleriscaldamento?

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1 Quale futuro per le reti di teleriscaldamento? Prestazioni energetiche reali e prospettive future Dario Prando, Marco Baratieri Libera Università di Bolzano Sustainable use of biomass in South Tyrol: from production to technology Progetto finanziato dalla Provincia Autonoma di Bolzano Bolzano,

2 Sustainable use of biomass in South Tyrol: from production to technology Work packages: i) quantification and characterization of available local agricultural woody biomasses and assessment of the environmental impacts derived from their utilization (Prof. Stefan Zerbe, Martina Boschiero) ii) detailed analysis (quantification, ecological and socio-economical aspects) of the riparian woody biomass available for bioenergy production (Prof. Francesco Comiti, Dr. Daniela Campana) iii) study of the biomass energy conversion technology (Prof. Marco Baratieri, Dario Prando)

3 Sommario Panoramica degli impianti a biomassa in Alto Adige Monitoraggio di due impianti CHP A Title caldaia-orc of Part 1 of (1000 the presentation kw el ) B Title gassificatore-mci of Part 2 of the (45 presentation kw el ) Impatto C Title dell efficienza of Part 3 of energetica the presentation edilizia sugli impianti di teleriscaldamento Conclusioni Sviluppi futuri

4 Panoramica degli impianti a biomassa in Alto Adige Caldaia-ORC Più di 10 impianti kw el Gassificatore-MCI Più di 20 impianti kw el

5 STORAGE Monitoraggio di caldaia-orc e gassificatore-mci Caldaia-ORC: Schema impianto Caldaia a cippato con griglia mobile Generatore ORC a fluido organico (ottametiltrisilossano) Ash WOODCHIP DRYER BIOMASS BOILER P th ORC P el DH NETWORK P th P th primary network P th

6 FILTER Monitoraggio di caldaia-orc e gassificatore-mci Gassificatore-MCI: schema impianto Gassificatore in equicorrente a letto fisso Motore a combustione interna (MCI) con turbo-compressore Char WOODCHIP GASIFIER GAS COOLING ICE P el BUILDINGS and AIR COOLER P th P th P th

7 Monitoraggio di caldaia-orc e gassificatore-mci Metodi e strumenti: Cippato Massa cippato (bilancia) Umidità (EN 14774:2009), potere calorifico (EN 14918:2010), contenuto ceneri (EN 14775:2010), analisi elementare (EN 15104:2011) Potenza termica Portata fluidi vettore (misuratore magnetico e misuratore ad ultrasuoni Riels AP5190) Temperature (Agilent 34970A e PT100) Potenza elettrica Analizzatore di rete (HT PQA820) e misuratore integrato nell impianto (se disponibile) Gas di gassificazione Composizione (μgc R-3000 Agilent)

8 Monitoraggio di caldaia-orc e gassificatore-mci Risultati: Prestazioni energetiche reali Caldaia-ORC Gassif.-MCI Carico elettrico (%) Potenza elettrica (kwe) Potenza termica (kwt) Potenza ingresso (kwt) Consumo biomassa (kg h -1 ) Umidità biomassa (%) Potere calorifico netto (MJ kg -1 ) Produzione ceneri/char (kg h -1 )

9 Monitoraggio di caldaia-orc e gassificatore-mci Risultati: Prestazioni energetiche reali Caldaia-ORC Gassific.-MCI Carico elettrico (%) Efficienza elettrica lorda (%) Efficienza termica (%) Rapporto energia elettrica/calore (-) Elevata efficienza elettrica per gassificatore-mci Possibilità di funzionamento ai carichi parziali per caldaia-orc

10 Monitoraggio di caldaia-orc e gassificatore-mci Estrattore fumi 59.8 kw (19.9 %) Results: Risultati: Boiler-ORC Caldaia-ORC plant Ventilatore Input biomassa condensazione 32.8 kw (10.9 %) Perdita calore latente fumi Perdita calore sensibile fumi Perdita calore corpo caldaia Input ORCOther auxiliaries 72.1 kw (24.0 %) Perdita termica ORC Produzione calore ORC Produzione elettrica ORC 9% 16% Pompa olio diatermico 37.7 kw (12.6 %) Ventilatori aria 11.0 kw (3.7 %) Precipitatore elettrostatico 1.8 kw (0.6 %) Movimentaz. biomassa/ceneri 7.8 kw (2.6 %) Pompe rete telerisc. 4.9 kw (1.6 %) Pompa ORC 59.9 kw (20.0 %) Pompa caldaia-rete 1.3 kw (0.4 %) Pompa ORC-rete 10.9 kw (3.6 %) 66%* Consumo elettrico ausiliari *based on LHV of biomass 25% della produzione elettrica lorda 10%*

11 Efficienza elettrica ORC Monitoraggio di caldaia-orc e gassificatore-mci Risultati: Caldaia-ORC Riduzione T rete aumento η el -10 C +1% (val. assoluto) Temperatura media rete primaria [ C]

12 Monitoraggio di caldaia-orc e gassificatore-mci CO ; 21.9% CH4; 1.6% H2; 17.1% O2; 0.2% Risultati: Gassific.-MCI CO2; 7.8% Input biomassa N2; 51.6% 22.6% 7.2% Output char Perdita calore gassificatore Producer gas Calore raffreddamento gas Input MCI Perdita termica MCI Produzione calore MCI Produzione elettrica MCI Consumo elettrico ausiliari % based on LHV of biomass LHV = 4.7 MJ/kg 15% della produzione elettrica lorda 4.0% 46.0% 18.5%

13 Monitoraggio di caldaia-orc e gassificatore-mci Risultati: Gassific.-MCI Smaltimento char (150 /t) LHV 23 MJ/kg ; m CHAR /m BIOM 2 % 2.4% energia ingresso biomassa H; 0,3% N; 0,8% O; 2,3% ash; 27,8% C; 68,6%

14 Impatto dell efficienza energetica edilizia sugli impianti di teleriscaldamento Recast EPBD 2010 (Direttiva Prestazioni Energetiche Edifici) Miglioramento delle prestazioni energetiche degli edifici soggetti a rinnovamento consistente Promozione del teleriscaldamento, in particolare se basato completamente o parzialmente su fonti rinnovabili Conflitto economico ed energetico per il teleriscaldamento Ridotta capacità utilizzo rete Conseguente riduzione di efficienza e ricavi

15 Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento Figure source: Lund H, et al., 4th Generation District Heating (4GDH), Energy (2014), j.energy

16 Lunghezza tubi centrale-edificio (m) Pipe length plant-building [m] Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento Micro-reti teleriscaldamento ispezionate Surveyed Grids Average Grid Anno di costruzione degli edifici dell Alto Adige 1 : - Ante 1960 (37%) (49%) - Post 1990 (14%) Number of buildings Numero di edifici Caratteristiche edilizie in funzione dell anno di costruzione in accordo con UNI/TS Area pianta edificio in base ai dati rilevati 1 National Statistical Institute, 2 UNI/Ts :2008 Energy performance of buildings Part 1: Evaluation of energy need for space heating and cooling

17 Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento Reference building before 1960 Opaque Envelope Windows Single-pane Clay Insulation U gl (W m -2 K -1 ) d (m) SHGC λ (W m -1 K -1 ) Frame Std Timber ρ (kg m -3 ) U f (W m -2 K -1 ) 3.2 c (J kg -1 K -1 ) A f /A wind. (%) 22.2 Reference building between 1960 and 1991 Opaque Envelope Windows Single-pane Clay Insulation U gl (W m -2 K -1 ) d (m) * SHGC λ (W m -1 K -1 ) Frame Std Timber ρ (kg m -3 ) U f (W m -2 K -1 ) 3.2 c (J kg -1 K -1 ) A f /A wind. (%) 22.2 Reference building after 1991 Opaque Envelope Windows Double-pane Clay Insulation U gl (W m -2 K -1 ) 3.44 d (m) SHGC λ (W m -1 K -1 ) Frame Std Timber ρ (kg m -3 ) U f (W m -2 K -1 ) 2.63 c (J kg -1 K -1 ) A f /A wind. (%) 22.2 *equivalent to an air cavity (R = 0.25 m² K W -1 ) Caratteristiche edilizie in funzione dell anno di costruzione in accordo con UNI/TS

18 Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento Determinazione della configurazione cost-optimal - Isolamento elementi opachi (range 1-20 cm con step di 1 cm) - Finestre con 4 tipologie di vetrocamera (doppio o triplo con alto o basso fattore solare-shgc) - Ventilazione meccanica con recuperatore di calore (MVHRS) Simulazioni effettuate per mezzo di TRNSYS 17 e MATLAB Minimizzazione di EP (energia primaria) e VAN (valore attuale netto) - Selezione delle configurazioni con il minor VAN per ogni edificio - Classificazione degli edifici rinnovati secondo VAN crescente

19 Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento Opaque Envelope: Insulation Layer Thermal characteristic of Polystyrene EPS IC (EUR m -2 ) (1) λ (W m -1 K -1 ) 0.04 t = thickness (cm) c (J kg -1 K -1 ) 1470 IC VW = 1.6 t ρ (kg m -3 ) 40 Transparent Envelope IC HW = 1.88 t Aluminium Frame with thermal break Uf = 1.2 (W m -2 K -1 ) Glazing U gl (W m -2 K -1 ) SHGC IC (EUR m -2 ) (1) DH Double, high SHGC (4/9/4, krypton, low-e) IC DH = DL Double, low SHGC (6/16/6, krypton, low-e) IC DL = TH Triple, high SHGC(6/12/6/12/6 krypton,low-e) IC TH = TL Triple, low SHGC (6/14/4/14/6 argon, low-e) IC TL = Mechanical ventilation heat recovery system (MVHRS) Ventilation Rate (m 3 h -1 ) 150 IC (EUR) (1) Power (W) 59.7 IC MV = 6000 EUR Parameters for the economic analysis Heat price (2) 0.10 EUR kwh -1 Electricity Cost (4) 0.25 EUR kwh -1 el Increase heat price (3) 2.8 % Increase electricity VAT 10 % price (3) 1.71 % Real Interest Rate 3 % (1) (Penna et al., 2014); (2) (Gasser and Meran, 2014); (3) (European Commission, 2009); (4) domestic customer (AEEG, 2013)

20 Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento Determinazione delle prestazioni energetiche ed economiche della rete di teleriscaldamento - Ogni edificio soggetto a miglioramento delle prestazioni energetiche crea un nuovo scenario - Calcolo della temperatura di rete (i.e., T MIN and T = 90 C) - Calcolo di EP e VAN del teleriscaldamento Price Reference Heat ( /kwh) 0.10 Networks survey Pellet ( /t) (IRE, 2014) Electricity* ( /kwh) (AEEG, 2013) Ash ( /t) 150 Networks survey Maintenance ( /year) 1500 (Viessmann, 2013) *Industrial customer Minima richiesta per soddisfare le esigenze di tutti gli edifici

21 VAN NPV (migliaia (Thousands EUR anno) EUR) VAN NPV (migliaia (Thousands EUR anno) EUR) Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento Risultati: Ottimizzazione cost-optimal 150 Building # Building # Heat EP demand (kwh/m² (kwh anno) m -2 year -1 ) Heat EP demand (kwh/m² (kwh anno) m -2 year -1 ) Configurazione con minor VAN la più probabile per l utente

22 Energia termica (MWh/anno) Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento Risultati: Frazioni del calore scambiato sulla rete Riscaldamento edifici Perdite rete ACS 900 T=90 C (Temperatura mandata rete) 800 T min % Numero edifici rinnovati 35 %

23 VAN (migliaia EUR) Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento Risultati: Prestazioni energetiche ed economiche della rete di teleriscaldamento 400 T MIN T=90 C (nessun rinnovo) EP (MWh/anno)

24 VAN (migliaia EUR) Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento Risultati: Prestazioni energetiche ed economiche della rete di teleriscaldamento T MIN T=90 C EP (MWh/anno) Area media riscaldata degli edifici: 120 m² 225 m² 330 m²

25 Conclusioni Funzionamento ai carichi parziali per caldaia-orc Integrazione con reti di teleriscaldamento a bassa temperatura elevata efficienza elettrica NO carichi parziali per impianti gassificazione (piccola scala) Elevata efficienza elettrica impianti a gassificazione Valorizzazione CHAR è questione aperta Incentivi nazionali promuovono fortemente la produzione elettrica minima valorizzazione del calore Efficienza energetica edifici può influire pesantemente su prestazione energetiche ed economiche della rete teleriscaldamento Implementazione T MIN rete è il primo step importante

26 Sviluppi futuri Progetto GAST Normativa di riferimento per campionamento del TAR : UNI CEN/TS μgc TAR sampling bottles Producer gas

27 Ringraziamenti Gestori reti teleriscaldamento monitorate Ufficio risparmio energetico BZ Ufficio Informatica geografica e statistica BZ

28 Grazie! Thank you! Danke! A B C Title of Part 1 of the presentation Title of Part 2 of the presentation Title of Part 3 of the presentation dario.prando@natec.unibz.it