M04 - Cogenerazione. Franco Bua franco.bua@ecd.it

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1 M04 - Cogenerazione LPQI is a member of Leonardo Energy LPQI has been co-financed by Franco Bua franco.bua@ecd.it Impianti di produzione e distribuzione dell'energia INGEGNERIA DEI SISTEMI E DEI SERVIZI PER IL TERRITORIO E PER L AMBIENTE A.A. 2007/2008 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PAVIA - SEDE DI MANTOVA

2 Sommario Mappa mentale

3 Introduzione Praticamente tutti i processi produttivi richiedono (in maggior o minor misura): energia elettrica calore Generalmente l approvvigionamento (produzione) di questi 2 fattori produttivi avviene separatamente

4 Introduzione Energia elettrica Utenze industriali standard - Eurostat Codice Consumo annuale (kwh) Massima potenza (kw) Ore annue di utilizzazione Ic Id Ie If Ig Ih Ii

5 Introduzione Energia termica Typical steam and heat quality requirements by sector COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

6 Introduzione Che cosa è la cogenerazione Produzione combinata di: Energia (meccanica) > elettrica Calore

7 Introduzione Vantaggi della cogenerazione Natura energetica Impiego razionale dei combustibili fossili (recupero termico) Sfruttamento di siti rinnovabili (e.g. biogas) Riduzione delle perdite nel sistema di trasmissione e distribuzione Di carattere ambientale Riduzione delle infrastrutture per il trasporto Riduzione delle emissioni in atmosfera (?)

8 Introduzione Vantaggi della cogenerazione Per la sicurezza e la qualità approvvigionamento EE Miglioramento disponibilità energia elettrica (ma non sempre miglioramento PQ!) Alleggerimento del carico di alcune reti elettriche Di natura economica Risparmi sui costi energetici Diritto alla vendita di certificati verdi e bianchi (?)

9 Introduzione Vantaggi della cogenerazione

10 Introduzione Svantaggi della cogenerazione Per l utente Iter autorizzativi e gestionali complessi Aspetti economici (scarsa valorizzazione dell energia elettrica ceduta alla rete, elevato costo specifico delle soluzioni più innovative, ecc.) Scelta della taglia e della tipologia di impianto non immediata (Soddisfacimento della domanda elettrica/termica/ frigorifera)

11 Introduzione Svantaggi della cogenerazione Per il sistema di distribuzione dell energia elettrica e del gas Impatto sul sistema elettrico (utilizzo delle reti di distribuzione in maniera attiva e non più passiva) Necessità di potenziare reti di distribuzione del gas Per gli Enti locali Gestire e controllare nuove sorgenti emissive in aree urbane o comunque densamente popolate

12 Introduzione Che cosa è la trigenerazione Produzione combinata di: Energia (meccanica) > elettrica Calore Freddo

13 Introduzione Vantaggi e Svantaggi della trigenerazione Come cogenerazione con costi specifici ancora più elevati (costo macchine frigorifere ad assorbimento)

14 Introduzione Dati statistici Potenza lorda (produttori e autoproduttori): MW (20% totale) Energia prodotta sul totale Dati Fonte Terna

15 Introduzione Dati statistici Distribuzione delle potenze degli impianti di cogenerazione in Italia Curva cumulata anno Dati GSE

16 Introduzione Dati statistici Potenza installata di cogenerazione per le principali attività economiche, anno Dati GSE

17 Introduzione Dati statistici Potenza installata in impianti di cogenerazione suddivisa in funzione del ciclo termico impiegato, anno Dati GSE

18 Introduzione Dati statistici Taglia media per tipologia: motori a combustione interna 1,2 MW turbine a gas 6 MW turbine a vapore (contropressione) 6,6 MW turbine a vapore (cond. con spillamento) 25,7 MW ciclo combinato 72,9 MW Dati Fonte Terna

19 Introduzione Dati statistici Principali tipi di combustibile impiegati per la cogenerazione, anno Dati GSE

20 Introduzione Dati statistici Taglia media dei sistemi cogenerativi per alcune categorie di attività economica, anno Dati GSE

21 Introduzione Dati statistici Prestazioni dei sistemi cogenerativi in termini di rendimento di primo principio ed indice IRE per alcune categorie di attività economica, anno Dati GSE

22 Utilità Costo energia elettrica Composizione della tariffa media nazionale al netto delle imposte c /kwh, a valori correnti - Fonte AEEG

23 Utilità Costo gas naturale Composizione della tariffa media nazionale al netto delle imposte c /m 3, a valori correnti Fonte AEEG

24 Utilità Costo oli vegetali Tipo Olio di colza Olio di girasole Olio di palma Olio di soia Costo ( /t)

25 Definizioni IRE (Indice di Risparmio di Energia) Rapporto tra e il risparmio di energia primaria conseguito dalla sezione di cogenerazione rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e termica l energia primaria richiesta dalla produzione separata

26 Definizioni Rendimento di primo principio Rapporto tra e la somma dell energia elettrica netta generata (Ee) e dell energia termica netta utile (Et) generata dall impianto di cogenerazione l energia primaria del combustibile, riferita al potere calorifico inferiore dello stesso, che alimenta l impianto di cogenerazione (Ec)

27 Tecnologie per la cogenerazione La produzione combinata di energia elettrica e di calore può essere tecnicamente realizzata con le modalità: topping bottoming La maggior parte dei processi di produzione combinata di energia elettrica e di calore sono di tipo topping

28 Tecnologie per la cogenerazione Topping In questa modalità viene prodotta energia elettrica attraverso un ciclo termodinamico ad alta temperatura integrato ad un sistema di recupero in forma utile del calore di scarico e di distribuzione del medesimo all utenza termica. Figura tratta da J. A. Orlando Cogeneration design guide - ASHRAE

29 Tecnologie per la cogenerazione Topping In questo caso le tecnologie risultano sostanzialmente derivate da quelle utilizzate per la produzione di sola energia elettrica attraverso l installazione di apparecchiature di recupero termico e di distribuzione del calore a valle dei motori primi

30 Tecnologie per la cogenerazione Bottoming Nella modalità bottoming viene prima prodotto calore per utilizzazioni ad alta temperatura, il cui cascame termico alimenta un ciclo termodinamico sottostante che permette di ottenere anche una produzione di energia elettrica. Figura tratta da J. A. Orlando Cogeneration design guide - ASHRAE

31 Tecnologie per la cogenerazione Classificazione delle tecnologie Da un punto di vista impiantistico le tecnologie di produzione combinata di energia elettrica e di calore vengono classificate in base alla tipologia dei motori primi utilizzati: motori a combustione interna (ciclo Otto, Diesel) turbine a gas turbine a vapore (contropressione, a condensazione con spillamento) ciclo combinato (?) micro-turbine a gas (emerging) motore stirling (new) celle a combustibile (new)

32 Tecnologie per la cogenerazione Classificazione delle tecnologie Ciascuna tecnologia presenta un rapporto tra energia elettrica Ee e calore utile Et prodotto (indice elettrico K): tipico (mediamente) variabile in funzione della taglia variabile rispetto al profilo di carico (domanda)

33 Tecnologie per la cogenerazione Classificazione delle tecnologie Valori indicativi del rendimento elettrico, totale e dell indice elettrico per le diverse tipologie impiantistiche di produzione combinata di energia elettrica e calore

34 Tecnologie per la cogenerazione Motore a combustione interna Dati tipici taglie (ciclo otto) 0,25 3 MW taglie (ciclo diesel) 0,8 10 MW rendimento elettrico 30-46% indice elettrico K = 0,4-2, ore (grossa manutenzione) (diesel?) costo manutenzione

35 Tecnologie per la cogenerazione Motore a combustione interna Vantaggi elevati rendimenti (anche nei regimi di funzionamento parziale) ampia gamma di combustibili utilizzabili (liquidi, gassosi - compresi gas poveri, gas d altoforno, da biomasse, di distillazione del carbone) spinta modularità di realizzazione campo di applicazione vasto (15 kwe - 10 MWe) indice elettrico K = 0,5-2,4 costo medio costo medio manutenzione (XXX - 0,92 c /kwh) pesi ingombri

36 Tecnologie per la cogenerazione Motore a combustione interna Svantaggi significative emissioni di NOx (necessità di dispositivi di riduzione delle emissioni) elevati costi di manutenzione (quota percentuale 2-4% dei costi di investimento)

37 Tecnologie per la cogenerazione Motore a combustione interna Motori a gas GE - Jenbacher

38 Tecnologie per la cogenerazione Motore a combustione interna Rendimento elettrico in funzione della taglia (motori < 1 MWe)

39 Tecnologie per la cogenerazione Motore a combustione interna Rendimento elettrico in funzione del carico

40 Tecnologie per la cogenerazione Motore a combustione interna Rendimento elettrico in funzione della temperatura

41 Tecnologie per la cogenerazione Motore a combustione interna Costi specifici in funzione della taglia (motori < 1 MWe)

42 Tecnologie per la cogenerazione Turbina a gas Dati taglie 0,1 100 MW rendimento elett % rendimento totale 60-80% Figura tratta da J. A. Orlando Cogeneration design guide - ASHRAE

43 Tecnologie per la cogenerazione Turbina a gas Vantaggi larga indipendenza della potenza termica disponibile dalla meccanica prodotta > maggiore flessibilità di esercizio semplicità costruttiva potenze elettriche tra 5 e 100 MWe indice elettrico K = 0,5 0,8 Figura tratta da J. A. Orlando Cogeneration design guide - ASHRAE

44 Tecnologie per la cogenerazione Turbina a gas Svantaggi rendimenti elettrici relativamente bassi necessità di utilizzare combustibili pregiati (gas, oli leggeri) per evitare fenomeni di sporcamento e corrosione delle palette della turbina Figura tratta da J. A. Orlando Cogeneration design guide - ASHRAE

45 Tecnologie per la cogenerazione Turbina a gas Gas turbine section (Siemens) COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

46 Tecnologie per la cogenerazione Turbina a gas Effetto della temperatura dell aria sul rendimento J. A. Orlando - Cogeneration Design Guide, ASHRAE

47 Tecnologie per la cogenerazione Turbine a gas Overview gas turbine systems COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

48 Tecnologie per la cogenerazione Turbina a gas Gas Turbine with heat recovery steam generator (HRSG). (1) Air filter, (2) Gas turbine, (3) Generator, (4) HRSG, (5) Steam turbine, (6) Condensor COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

49 Tecnologie per la cogenerazione Turbina a vapore Dati taglie 0,1 100 MW rendimento elett % rendimento totale 60-85% Steam turbine (B+V Industrietechnik) COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

50 Tecnologie per la cogenerazione Turbina a vapore Vantaggi possibilità di ottenere valori abbastanza alti del rendimento termico globale, fornendo nel contempo calore di recupero ad alta temperatura. Dato che queste macchine utilizzano il vapore proveniente da un opportuno generatore, esse permettono l adozione di qualsiasi combustibile, particolarmente quelli non pregiati. potenzialità medio-alte, comprese tra 1 e 250 MWe di potenza elettrica ed oltre. indice elettrico K = 0,1 0,5 COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

51 Tecnologie per la cogenerazione Turbina a vapore Svantaggi alti costi iniziali di investimento complessità di impianto limitata capacità di adattarsi a condizioni di marcia diverse da quelle di progetto presenza continuativa di personale specializzato

52 Tecnologie per la cogenerazione Ciclo combinato Figura tratta da J. A. Orlando Cogeneration design guide - ASHRAE

53 Tecnologie per la cogenerazione Ciclo combinato Large scale single-shaft combined cycle power plant (Siemens) COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

54 Tecnologie per la cogenerazione Micro-turbine a gas Potenza elettrica (kw) Rendimento elettrico Rendimento complessivo % 70-80% Micro-turbine (Bowman Power) COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

55 Tecnologie per la cogenerazione Micro-turbine a gas Vantaggi ridotte emissioni di NOx e CO (<10 15% O 2 ) ingombri e pesi contenuti bassa rumorosità e vibrazioni manutenzione ridotta (ogni ore) elevata vita utile ( ore) COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

56 Tecnologie per la cogenerazione Micro-turbine a gas Svantaggi tecnologia emergente costo specifico elevato (1100 /kw) rendimenti elettrici inferiori bassa temperatura fumi (250 C) COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

57 Tecnologie per la cogenerazione Micro-turbine a gas Modello CAPSTONE C30 CAPSTONE C60 Ingersoll Rand MT70 Bowman TG80 Elliott TA 100 Turbec T100 Capstone C200 Ingersoll Rand MT250 Pel (kw) Rendimento elettrico (%) COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

58 Tecnologie per la cogenerazione Micro-turbine a gas Influenza del carico sul rendimento delle micro-turbine a gas COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

59 Tecnologie per la cogenerazione Micro-turbine a gas Influenza della temperatura sulle prestazioni delle micro-turbine a gas COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

60 Tecnologie per la cogenerazione Motore Stirling Stirling Engine Module 9kWe/24kWth (Solo Kleinmotoren) COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

61 Tecnologie per la cogenerazione Celle a combustibile Fuel Cell System Types COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

62 Studio di fattibilità tecnico economica Introduzione

63 Studio di fattibilità tecnico economica Fattibilità tecnica Analisi dei consumi elettrici Analisi dei consumi termici Analisi tariffe energia elettrica e combustibili

64 Studio di fattibilità tecnico economica Fattibilità tecnica Analisi dei consumi elettrici Potenza elettrica impegnata Energia elettrica (kwh) Tipicamente: 1/2 anni di bollette curve di carico (kw kwh) settimanali (settimana tipo invernale, settimana tipo estiva) curve di carico (kw kwh) giornaliere (giornata tipo invernale, giornata tipo estiva)

65 Studio di fattibilità tecnico economica Fattibilità tecnica Analisi dei consumi termici Tipologia dei consumi termici (vapore, acqua calda, ; livelli termici e di pressione) Tipologia dei combustibili approvvigionabili (rete gas naturale?); Energia (dettaglio giornaliero/mensile) Potenza termica richiesta (dettaglio giornaliero/mensile)

66 Studio di fattibilità tecnico economica Fattibilità economica Flussi di cassa positivi Stima dei ricavi Stima dei risparmi bolletta energetica Flussi di cassa negativi Stima dei costi iniziali di investimento Stima dei costi di esercizio

67 Studio di fattibilità tecnico economica Fattibilità economica Ricavi: da vendita energia elettrica (immessa in rete) da certificati bianchi da certificati verdi Valorizzazione tipica (?)

68 Studio di fattibilità tecnico economica Fattibilità economica Risparmi bolletta energetica: costi di acquisto dell energia elettrica evitati (energia elettrica autoprodotta) costi di acquisto di combustibile evitati (energia termica, valorizzazione del recupero termico) minori costi di acquisto di combustibile (sconto volume per aumento fornitura)

69 Studio di fattibilità tecnico economica Fattibilità economica Stima dei costi di esercizio del sistema cogenerativo Costo del combustibile Manutenzione Contratto di Soccorso e Servizio Costo del Personale Oneri di gestione autorizzazioni

70 Studio di fattibilità tecnico economica Fattibilità economica Stima dei costi iniziali di investimento Sistema cogenerativo Opere elettriche» cogeneratore»hrsg» sistema trattamento emissioni» (macchine frigorifere ad assorbimento)» linee, trasformatore, quadro di interfaccia Opere meccaniche Opere civili» linee distribuzione vapore, HTW, LTW, (freddo)» fondazioni, insonorizzazione Apprestamenti antincendio Sistema di supervisione e controllo EPC

71 Varie Appunti: Manutenzione Gestione dell impianto (procedure di sicurezza) Impianto elettrico (passaggio in isola) Formazione (vedi presentazione) Passaggi in isola (vedi report)

72 Bibliografia Per un approccio operativo alla cogenerazione: EDUCOGEN - The European Educational Tool on Cogeneration ( J.A. Orlando: Cogeneration Design Guide. Ashrae Small scale cogeneration. Why? In which case?

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