Cogenerazione oggi e domani. La cogenerazione: inquadramento e stato dell'arte

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1 Veronafiere 29 ottobre 2013 Cogenerazione oggi e domani La cogenerazione: inquadramento e stato dell'arte Prof. Dipartimento di Ingegneria - Presidente SC 04 "Sistemi e macchine per la produzione di energia" Comitato Termotecnico Italiano

2 La cogenerazione: introduzione e concetti di base 2

3 La cogenerazione produzione combinata, in un unico processo, di energia elettrica/meccanica e calore combustibile SISTEMA COGENERATIVO energia elettrica energia meccanica??? autoconsumo AT/MT/BT immissione in rete AT/MT/BT calore di scarto energia termica per usi civili/terziari (riscaldamento, condizionamento, acqua sanitaria) per usi industriali (sia calore che freddo per il processo produttivo) 3

4 Cogenerazione topping o bottoming TOPPING BOTTOMING combustibile combustibile CICLO MOTORE calore scaricato elettricità COMBUSTORE calore scaricato calore ad alta T RECUPERO calore a bassa T CICLO MOTORE elettricità calore di scarto calore di scarto 4

5 Prestazioni di un cogeneratore E c SISTEMA COGENERATIVO E t E e e t E E E E e c t c rendimento elettrico rendimento termico tot U E e E c E t e t rendimento totale o coefficiente di utilizzo del combustibile η U 5

6 Coefficiente di utilizzo del combustibile Se calcolato con riferimento al potere calorifico inferiore (PCI) il limite superiore non è 100% Combustibile PCS PCI PCS/PCI idrogeno % metanolo % gas naturale % gpl % gasolio % carbone (antracite) % olio vegetale (colza) % biodiesel % olio vegetale (palma) % olio combustibile % olio vegetale (soia) % biogas % gas d'altoforno % [valori di PCI e PCS in kj/kg] tot PCS PCI

7 Prestazioni di un cogeneratore Primo principio termodinamica CALORE = LAVORO Secondo principio termodinamica CALORE LAVORO 1 kj di ACQUA CALDA 1 kj di VAPORE 1 kj di ELETTRICITA 7

8 Prestazioni di un cogeneratore Rendimento di primo principio I tot energia produzione immessa con utile il combustibile Rendimento di secondo principio II produzione utile pesata "termdinamicamente" energia immessa con il combustibile 8

9 Confronto con la produzione separata COGENERAZIONE E c E cse PRODUZIONE SEPARATA E cs =E cse +E cst E cst SISTEMA COGENERATIVO E e CENTRALE ELETTRICA es CALDAIA ts E t E e E t IRE PES E cs E cs E c 1 E e es Ec Et ts 1 e es 1 t ts 9

10 Ubicazione del cogeneratore I combustibili sono una fonte energetica trasportabile (anche se in taluni casi questo può risultare economicamente e/o energeticamente non conveniente) L elettricità è un vettore energetico trasportabile Il calore non è trasportabile (se non a brevi distanze) IL COGENERATORE DEVE ESSERE UBICATO PRESSO L'UTENZA TERMICA 10

11 Definizioni di generazione distribuita e di piccola e micro generazione Generazione distribuita: insieme degli impianti di generazione di potenza nominale inferiore ai 10 MVA (Delibera AEEG 328/07) 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 MW o a 50 kw (D.Lgs. n 20 del 8/2/2007) 11

12 I numeri italiani della produzione elettrica (2011) Disponibilità per il consumo = GWh produzione (86 %) importazioni (14 %) termoelettrica (77 %) altro (23 %) solo elettrica (56 %) cogenerazione (44 %) 12

13 Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione in funzione della tecnologia utilizzata (dati AEEG, anno 2011)

14 Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione GD in funzione della tecnologia utilizzata (dati AEEG, anno 2011) T

15 Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione PG in funzione della tecnologia utilizzata (dati AEEG, anno 2011)

16 Produzione elettrica e termica e indice elettrico degli impianti di cogenerazione in funzione della tecnologia utilizzata (dati AEEG, anno 2011)

17 Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione in funzione della tecnologia utilizzata (dati AEEG, anno 2010)

18 Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione GD in funzione della tecnologia utilizzata (dati AEEG, anno 2010) T ,86

19 Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione PG in funzione della tecnologia utilizzata (dati AEEG, anno 2010)

20 potenza installata (MWe) produzione (TWh) Energia prodotta riconosciuta CAR e relativa potenza installata (Relazione cogenerazione MSE) potenza elettrica installata produzione elettrica produzione termica anno

21 potenza installata (MWe) produzione (TWh) Energia prodotta riconosciuta CAR e relativa potenza installata (Relazione cogenerazione MSE) potenza elettrica installata produzione elettrica produzione termica anno

22 Risparmio di energia primaria conseguito con la CAR rispetto alla produzione separata (Relazione cogenerazione MSE)

23 Le applicazioni della cogenerazione Tabella Potenza elettrica installata per settore di attività (dati GSE, anno 2006) Potenza elettrica installata per settore di attività (dati GSE, anno 2006) 23 Attività taglia media (MWe) Potenza installata (MWe) Industria chimica e petrolchimica Raffinazione petrolio Industria cartaria Industria siderurgica Industria alimentare Industria automobilistica Industria ceramica Riscaldamento e teleriscaldamento 12.5 Impianti sportivi, alberghi e ristoranti 0.1 Commercio 0.5 Ospedali 1 Case di riposo e simili 1.5 Concerie 2.0 Industria tessile, gomma e plastiche 3.0 Industria elettronica 9.0 Trasporti aerei

24 Le tecnologie per la cogenerazione

25 Rendimento elettrico % Le tecnologie di generazione elettrica Mot. Stirling Cicli ibridi con FC + turbina a gas Celle a combustibile TV TG AD Cicli combinati TG HD USC e IGCC 10 TPV ORC Micro-turbine a gas Taglia impianto [kw]

26 Rendimento elettrico % Le tecnologie di generazione elettrica Mot. Stirling Cicli ibridi con FC + turbina a gas Celle a combustibile TV TG AD Cicli combinati TG HD USC e IGCC 10 TPV ORC Micro-turbine a gas Taglia impianto [kw]

27 Rendimento termico Rendimento elettrico Confronto tra le tecnologie di piccola cogenerazione 50% 40% MCI MTG Stirling ORC 30% 20% 10% 0% % Taglia di potenza elettrica [kw] 80% 60% 40% 20% MCI MTG Stirling ORC 0% Taglia di potenza elettrica [kw]

28 Rendimento termico [%] 100 Potenzialità delle tecnologie di cogenerazione fino a 100 kw e U = 75 % C = 0.25 C = 0.50 C = 0.75 C = 1.00 = 100 % U MCI MTG Stirling ORC Rendimento elettrico [%]

29 Coefficiente di utilizzo del combustibile η U con pompa di calore Heat pump COP E t = COP E e,t E e,t E e,u = C E t E e = p e E c U Ee,U Et pe COP1 E 1 COPC c C

30 Coefficiente di utilizzo del combustibile η U con pompa di calore p =

31 Coefficiente di utilizzo del combustibile η U con pompa di calore p =

32 Coefficiente di utilizzo del combustibile η U con pompa di calore p =

33 Cogeneratore Vs. pompa di calore

34 Cogeneratore Vs. pompa di calore

35 Cogeneratore Vs. pompa di calore

36 Grazie per l attenzione pier.ruggero.spina@unife.it