Cogenerazione a gas. Alberto Zanella Viessmann Engineering srl

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1 Cogenerazione a gas Alberto Zanella Viessmann Engineering srl

2 Cogenerazione a Gas kw el Cogeneratori: da 6 fino a 530 kwel e 15 fino a 660 kwth Motori a gas per funzionamento a metano, GPL, Bio Metano, Biogas. Motori Toyota e MAN 1000 Produzione cogeneratori /04/2017

3 Gamma Cogenerazione - esempio EM-6/15 EM-9/20 EM-20/39 EM-50/81 EM-70/115 EM-140/207 EM-199/293 EM-238/363 EM-363/498 EM-401/549 EM-530/660 6 kwel 14,9 kwth 8,5 kwel 20,1 kwth 20 kwel 39 kwth 50 kwel 81 kwth 70 kwel 115 kwth 140 kwel 207 kwth 199 kwel 293 kwth 238 kwel 363 kwth 363 kwel 401 kwel 498 kwth 549 kwth 530 kwel 660 kwth

4 Mercato della cogenerazione Produzione di energia elettrica tramite cogenerazione TWh Quelle: Eurostat, 07/2011

5 Mercato della cogenerazione Quota cogenerazione nella produzione di energia elettrica % Quelle: Eurostat, 07/2011

6 Il principio della cogenerazione Principi di base Energia/ Combustibile Calore utilizzabile

7 Principi di base della cogenerazione (esempio 50 kw el) Scambiatore di calore Gas di scarico T fumi = <120ºC T fumi = 620ºC t R = 70ºC Silenziatore t KMA = 88ºC Motore endotermico a gas Generatore elettrico Circuito riscaldamento t = 20 K V = 3,48 m 3 /h t m = 90ºC Scambiatore impianto t KE = 92ºC t KA = 81ºC Scambiatore raffreddamento olio t KME = 81ºC Il principio : Circuito raffreddamento motore t = 11 K V = 6,4 m 3 /h Un motore a combustione (a gas) fa funzionare un generatore per la produzione di energia elettrica. Il calore residuo contenuto nell acqua da raffredamento e dal gas di scarico viene reso utilizzabile tramite uno scambiatore di calore e messo a disposizione per il circuito di riscaldamento

8 Nella produzione tradizionale di energia elettrica nelle centrali a condensazione, una gran parte dell energia impiegata va persa sotto la forma di calore. Fornitura di combustibile: 952 MW caldaia Con la cogenerazione si può produrre calore e corrente elettrica in maniera efficente e decentralizzata per utilizzarla sul posto turbina 6% perdite per gas di scarico, irraggiamento e circolazione Potenza nominale del processo 400 MWel 46% perdite per Condensazione *Quelle: VDEW 3% consumo proprio

9 Principi di base della cogenerazione Perchè scegliere un cogeneratore? Riduzione costi Riduzione CO2 Costi energia elettrica Lavoro in kwh/a Consumo annuo kwhe Costi combustibile Metano m³/a Fabbisogno annuo kwhth

10 Possibilità di applicazione Quando ha senso una centrale di cogenerazione? Rapporto produzione di calore del Cogeneratore e impianto di riscaldamento o teleriscaldamento Richiesta simultanea e continua di calore e corrente Rapporto tra prezzo specifico della corrente e specifico del gas

11 Una questione di costi Ideale: rapporto corrente elettrica prezzo combustibile 2,5 Rapporto costi Energia el / Combustibile 1 1,5 2 2,5 3 Quali valori sono rilevanti? Costo energia elettrica Utilizzo in kwh/a consumo annuale kwhe Costo combustibile Combustibile kwh/a fabbisogno annuale kwhth

12 Una questione di costi Ideale: rapporto corrente elettrica prezzo combustibile 2,5 Rapporto Corrente : Gas Economicità 1 : 1 Poco probabile 2 : 1 Possibile con sovvenzioni 3 : 1 Probabile 4 : 1 Molto probabile-sicura

13 Possibili applicazioni Settore pubblico/privato Industria commercio Ospedali Centri scolastici Piscine Case di riposo Uffici Caserme Aeroporti Carceri Università Amministrazioni Produzione Settore galvanico Birrerie Malterie Vivai Centri commerciali Parchi divertimento Alberghi Centri residenziali

14 Calcolo del fabbisogno termico Lettura dei consumi in bolletta Fabbisogno max Fabbisogno di calore nell arco dell anno Fabbisogno max Ordine per fabbisogno

15 Calcolo del fabbisogno termico Profili di carico Fabbisogno 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % Ospedali Piscine Teleriscaldamento Complessi residenziali Scuole Amministrazioni Tempo 8760 h

16 Dimensionamento del cogeneratore La produzione di calore non dovrebbe superare il 30% del fabbisogno totale Indicativamente: Zone residenziali max 15% Alberghi max 10% Amministrazioni max 10% Scuole università max 10-15% Industria e commercio con richiesta costante di calore 10-20% ca Case di riposo 20% ca Ospedali 25% ca Piscine 30% ca

17 Dimensionamento del cogeneratore 100% Dimensionamento caldaia Fabbisogno Fabbisogno termico coperto dal cogeneratore Ore di funzionamento Dimensionamento termico cogeneratore 8760 h

18 Dimensionamento del cogeneratore 100% Dimensionamento termico caldaia Serbatoio inerziale Fabbisogno Fabbisogno termico coperto dal cogeneratore Ore di funzionamento Dimensionamento termico cogeneratore 8760 h

19 Dimensionamento del cogeneratore Dimensionamento affinchè l impiego del cogeneratore sia economicamente conveniente si dovrebbero avere più di ore di esercizio Fabbisogno 100 % Obiettivo Q max = 400 kw th 90 % EM-20/ Bh (164MWel, 319,8MWth) 80 % EM-50/ Bh (300MWel, 486MWth) 70 % EM-70/ Bh (210MWel, 345MWth) 60 % EM-140/ Bh (154MWel, 227,7MWth) 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % Tempo 8760

20 Dimensionamento del cogeneratore Temperatura e altitudine

21 Diagramma di correzione Motori aspirati In funzione della temperatura dell aria e umidità Fattore di correzione potenza Altidudine rispetto il livello del mare

22 Diagramma di correzione Motori turbo In funzione della temperatura dell aria e umidità Fattore di correzione potenza Altitudine rispetto il livello del mare

23 Contenuti Progettazione di impianti di cogenerazione Isolamento acustico Locale d installazione Aspirazione aria e ventilazione Approvvigionamento metano Sistema scarico fumi Collegamenti elettrici Collegamento riscaldamento

24 Progettazione di impianti di cogenerazione Su basamento Su basamento e insonorizzata Soluzione adottata da alcuni costruttori

25 Progettazione di impianti di cogenerazione In container

26 Progettazione di impianti di cogenerazione Isolamento acustico Silenziatore scarico aria Isolamento acustico tramite muratura (cemento) Giunto elastico Silenziatore gas di scarico Compensatore Compensatore tubazioni alimentazione Silenziatore adduzione aria Smorzatore vibrazioni

27 Progettazione di impianti di cogenerazione Isolamento acustico Compensatore scarico aria in tessuto Antivibranti Compensatore gas di scarico Tubo acqua riscaldamento

28 Progettazione di impianti di cogenerazione Locale d installazione Vista in sezione 0,5 1,2 m spazio intorno e sopra il modulo Non installare macchine a adsorbimento funzionanti ad ammoniaca nello stesso locale Vista dall alto Aria di aspirazione pulita nel locale d installazione Sufficiente ricambio d aria Nessun bruciatore atmosferico nello stesso locale

29 Progettazione di impianti di cogenerazione Locale d installazione

30 Locale di installazione Cosa non bisogna fare!

31 Progettazione di impianti di cogenerazione Ventilazione ZL AL

32 Progettazione di impianti di cogenerazione Ventilazione Generatore elettrico Motore endotermico

33 Progettazione di impianti di cogenerazione Ventilazione Generatore elettrico Motore endotermico

34 Progettazione di impianti di cogenerazione Ventilazione Generatore elettrico Motore endotermico

35 Aria di combustione e ventilazione Progettazione di impianti di cogenerazione Calcolo A zu = Diametro apertura adduzione aria libero in m 2 V V = Quantità aria (Potenza ventilatore) in m 3 /h ( si veda gamma) = Velocità massima flusso aria ca. 2 3 m/s v S 1. Portata adduzione aria 2. Portata scarico aria

36 Aria di combustione e ventilazione Cosa non bisogna fare! Errori riccorenti. Canali installati direttamente sul modulo Mancanza di silenziatori Errato dimensionamento

37 Progettazione di impianti di cogenerazione Antivibranti Importanza della scelta degli antivibranti

38 Progettazione impianti di cogenerazione Antivibranti Importanza della scelta degli antivibranti

39 Progettazione impianti di cogenerazione Antivibranti Motore e generatore montato su silent block Piedini antivibrani di serie Fino a 140 kwel Da 199 a 530 kwel

40 Locale di installazione Cosa non bisogna fare! Errori ricorrenti: Spazio insufficiente per la manutenzione Pessima ventilazione Temperatura troppo elevata, perchè lo scarico aria è nello stesso locale

41 Alimentazione gas metano Cosa non bisogna fare! Errori ricorrenti: Montaggio senza tensione Manca il compensatore Errato dimensionamento tubo

42 Gas di scarico Progettazione di impianti di cogenerazione Rumore (dell aria) d aspirazione Rumore del corpo (in sottofondo) Rumore dei gas di scarico Attenzione: diffusione del rumore lungo tutta la tubazione per oltre 10 mt!

43 Gas di scarico Progettazione di impianti di cogenerazione

44 Gas di scarico Progettazione di impianti di cogenerazione 1 Compensatore coassiale 2 Tubazioni scarico fumi 3 Silenziatore secondario gas di scarico (accessorio) 4 Scarico condensa 5 Valvola di sicurezza scarico acqua riscaldamento 6 Collegamento elastico Per il dimensionamento del condotto fumi si deve considerare una contropressione max. di 15 mbar per i gas discarico La velocità di flusso non deve superare i 10 m/s altrimenti si verificano rumori dovuti al flusso Il condotto omologato deve essere ermetico e resistente alle pulsazioni fino a 50 mbar ( 5000 Pa ) La perdita non deve essere superiore a 0,006 l/m³s ( corrisponde a H1 ) Materiale acciaio inox spessore minimo 1 mm o plastica con termostato a riarmo manuale distanza max 1 m dall uscita Per ogni cogeneratore deve essere previsto un condotto singolo

45 Sistema scarico fumi Cosa non bisogna fare! Errori ricorrenti: Montaggio senza tensione Assenza di compensatore scarico fumi Errato dimensionamento tubo gas di scarico Mancanza di disaccoppiamento vibrazioni meccaniche Sifone non riempito Molte tubazioni condensa collegate a un unico sifone

46 Gas di scarico - Emissioni Progettazione di impianti di cogenerazione Aspirato Turbocompresso

47 Scarico condensa Progettazione di impianti di cogenerazione 1 Installare uno scarico libero mediante sifone 2 La tubazione deve essere resistente agli acidi 3 Non fissare al cogeneratore raccordi 4 Installare il flessibile in silicone direttamente a valle del cogeneratore 5 Dal momento che il vapore dell olio nei gas di scarico può generare condensa, prevedere sul posto un separatore dell olio nella tubazione condensa

48 Rumore: Velocità max. gas di scarico 10 m/s Silenziatore di scarico Corrosione: A causa dell NO x durante la fase di avviamento il valore di ph della condensa scende a 2-3 (acidi forti) tubazioni gas di scarico resistenti alla corrosione In impianti a piu moduli prevedere un singolo scarico per ogni modulo, altrimenti attraverso ritorni di flusso e condensa nei gas di scarico e possibile che si verifichino danni da corrosione nei moduli non in funzione. Al fine di proteggere l impianto dalla corrosione i due silenziatori in acciaio INOX non devono venire collegati tra di loro con tubazioni in acciaio nero! Collegare alla tubazione di scarico tutte le condense separatamente. Se necessario prevedere un impianto di neutralizzazione condense

49 Collegamento impianto riscaldamento

50 Progettazione di impianti di cogenerazione Dimensionamento accumulatore ( puffer ) Se non vi sono altri criteri per il dimensionamento dell accumulatore il volume dovrebbe assorbire il calore di almeno un ora di esercizio del cogeneratore a potenza termica massima Vmin = Q BHKW t c T Vmin = Q BHKW Misure di calcolo Vmin = volume minimo del puffer QBHKW = potenza termica del cogeneratore in kw t = tempo di accumulo in h ( t = 1 ora ) c = capacità termica specifica dell acqua ( 1/860 kwh/l K ) T = salto termico del BHKW in K ( T 20 K )

51 Progettazione di impianti di cogenerazione Il comando dei moduli cogenerativi viene avviato da un segnale esterno ed eventualmente da un secondo segnale nel campo di carico elettrico da 50% fino a 100% Esercizio in funzione termico guida Esercizio in funzione elettrico guida Funzionamento ad isola ( opzionale )

52 Modalità di funzionamento Termico guida Il criterio di attivazione e disattivazione dipende dal fabbisogno termico dell impianto, il modulo BHKW copre il carico di base in funzione del fabbisogno momentaneo. La caldaia riceve il consenso in funzione di un fabbisogno termico crescente. Il modulo viene regolato in base alla temperatura del ritorno dell acqua di riscaldamento, al livello di temperatura dell accumulo o in alternativa in base ad un segnale esterno.

53 Progettazione di impianti di cogenerazione Collegamento al circuito idraulico con caldaie a bassa temperatura

54 Collegamento al circuito idraulico con caldaie a condensazione

55 Modalità di funzionamento Elettrico guida E necessario verificare che il calore prodotto dal modulo BHKW venga assorbito completamente, vanno previsti dispositivi di raffreddamento del ritorno impianto. La potenza prelevata viene trasformata come segnale di misura 0 20 ma ( 0 - kw ) I valori di potenza e temporizzazione per l avviamento e l arresto sono tarabili, inoltre al superamento di un valore tarabile della temperatura del ritorno è possibile controllare una batteria di raffreddamento

56 Modalità di funzionamento

57 Collegamento elettrico funzionamento in parallelo

58 Modalità di funzionamento Ad isola E necessario verificare che il calore prodotto dal modulo BHKW venga assorbito completamente, vanno previsti dispositivi di raffreddamento del ritorno impianto. Un guasto alla rete viene registrato dai dispositivi di protezione, si apre l interruttore di accoppiamento si sganciano tutti i carichi, successivamente gli utilizzatori differenziati nei livelli di carico ammessi, possono essere inseriti. Ripristinata la rete dopo una breve fase di stabilizzazione il modulo funzionerà sincronizzato senza interruzione.

59 Schema funzionale CIRCUITO SECONDARIO DI RECUPERO TERMICO

60 Schema funzionale Vitobloc EM 50/81-70/ /207

61 Schema funzionale Vitobloc EM 199/ /498

62 Schema funzionale Motore turbo e raffreddamento interno Scambiatore Scambiatore Turbocompressore Aria comburente Doppio stadio di raffreddamento Motore Generatore Scambiatore Raffred. olio

63 Schema funzionale Vitobloc EM 199/ / /660

64 Schema funzionale Motore turbo con raffreddamento interno ed esterno Scambiatore Turbocompressore Aria comburente Doppio stadio di raffreddamento Motore Generatore Scambiatore Raffred. olio

65 Caratteristiche tecniche Modello cogeneratore e relative temperature di funzionamento Temperatura di mandata e ritorno Motore Vitobloc Toyota EM-6-15 EM-9/20 EM-20/39 Ritorno T 20 K Mandata Man aspirato EM-50/81 EM-70/115 EM-140/207 EM-238/363 T 20 K Man turbo EM-199/263 EM-199/293 EM-363/498 EM-401/549 EM- 530/660 T 20 K

66 Cogeneratori con potenze maggiori a 199 kw

67 Service

68 Schede di manutenzione Service Scheda di manutenzione specifica per ogni modello Intervalli di manutenzione di 1000 h / 1800 h/ 2000 h / 6000 h ecc, ecc secondo il modello Identificazione della rilevanza della manutenzione definita in: Manutenzione A : base Manutenzione B: media Manutenzione C: elevata con ripristino Identificazione della rilevanza del ripristino definito in: Ripristino I1 : base Ripristino I2 : elevato Ripristino I3 : base Ripristino I4 : revisione generale

69 Service Intervallo di manutenzione cogeneratori (in ore) 10 ore = 600 km Km equivalenti per un auto 100 ore = km ore per i Turbo = km ore per gli aspirati = km ore per i Toyota = km Revisione generale (= I4) dei cogeneratori circa Ore = km

70 Cogeneratori Installazione I collegamenti di mandata e ritorno devono essere privi di tensioni meccaniche Deve essere sempre garantita la portata nominale. In un impianto di riscaldamento il cogeneratore deve essere sempre il primo ad accendersi e l ultimo a spegnersi Evitare il funzionamento intermittente, per ogni accensione deve essere garantito almeno un funzionamento continuo di 2 ore. Rapporto termico Potenza-BHKW : Potenza-caldaia da ~ 1 : 4 (fabbisogno annuale costante, esempio ospedali e piscine) fino a ~ 1 : 10 (fabbisogno annuale non costante, esempio condomini e hotel) Consigliato l utilizzo di un serbatoio inerziale (> 43lt*kWth) Nel funzionamento in isola è necessario garantire una temperatura massima di ritorno di 60 C

71 Tipologia di installazione 3% 5% 1% 13% 19% 16% 10% 6% 13% 14% Az. Agricola Uffici Ospedali Centro commerciale Centro Sportivo Condominio Hotel Industria Scuola Teleriscaldamento

72 Caratteristiche tecnologiche Referenza TLR Nova Levante(Bz) Tipologia cogenerazione con biomassa legnosa 1. Tecnologia affidabile e consolidata: cogenerazione Caldaia + ORC 2. Gammadipotenzaelettricada200kwattel a1000kwel 3. Utilizzo di cippato di legno forestale vergine da filiera locale 4. Tipologiacippato:talquale,P45-100,Mfino60%,A%fino6-8% 5. Consumo orario a Potenza nominale 2,6 mcubi steri(m50)(300 kw el) 6. Plus: calore residuo per essicazione cippato

73 Caratteristiche tecnologia 7. Stoccaggio combustibile con essicazione, deposito di alimentazione con rastrelli pesanti e inserimento oleodinamico diretto; 8. Camera di combustione orizzontale e verticale per riduzione Nox + griglia mobile in 3 zone a movimento differenziato; caldaia ad olio diatermico a tubi posta a valle del focolare e con manutenzione ottimizzata ore medie di funzionamento di progetto 10. Fluido riscaldato Olio diatermico e acqua(economizzatore finale) 11. Trattamento gas di combustione con filtrazione multiciclonica ed elettrostatica senza la presenza di bypass; Polveri <10mg, Nox < 120mg

74 Caratteristiche tecnologia 12. Sistema ideale per impianti esistenti (teleriscaldamenti) e/o dove si conosce esattamente l energia termica venduta/utilizzata 13. Viessmann Engineering è una divisione di Viessmann Italia, con 22 dipendenti, di cui 8 tecnici per assistenza. 14. Primo impianto di minicogenerazione installato nel 2007 (Val d Ultimo) 200 kw elettrici(turboden) con ns impianto a biomassa legnosa. 15. Viessmann è una azienda a livello mondiale con alta affidabilità e presenza

75 Schema di principio

76 Sistema di trasporto cippato

77 Camere di combustione

78 Caldaia ad olio diatermico

79 Trattamento fumi

80 Turbogeneratore

81 Deposito cippato con box di essicazione

82 Deposito cippato con box di essicazione

83 Grazie per l attenzione