Dispensa del corso di SISTEMI ENERGETICI. Argomento: Sistemi Energetici (parte 3.1)

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1 Dispensa del corso di SISTEMI ENERGETICI Argomento: Sistemi Energetici (parte 3.1) Prof. Mauro Venturini Dipartimento di Ingegneria Prof. Mauro Venturini - Sistemi energetici - Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

2 Sistemi energetici cogenerativi Prof. Mauro Venturini - Sistemi energetici - Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

3 Aspetti tecnico-energetici della cogenerazione

4 La cogenerazione produzione combinata, in un unico processo, di energia elettrica/meccanica e calore combustibile SISTEMA COGENERATIVO energia elettrica (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)

5 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

6 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

7 Definizioni di generazione distribuita e di piccola e micro generazione Generazione distribuita (GD): 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 di recepimento della Direttiva Europea 2004/08/CE)

8 Applicazioni della generazione distribuita Generazione continua in parallelo con la rete elettrica nazionale ( grid connected ) Generazione continua in isola 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

9 I principali vantaggi Vantaggi di natura energetica Impiego razionale dei combustibili fossili Sfruttamento di siti rinnovabili Riduzione delle perdite energetiche nel trasporto Vantaggi di carattere ambientale Riduzione delle grosse infrastrutture per il trasporto Mitigazione del problema legato all elettrosmog Rimozione della sindrome NIMBY Vantaggi per la sicurezza e la qualità Riduzione del rischio di black-out Alleggerimento del carico di alcune reti elettriche Vantaggi economici Risparmi sui costi energetici (acquisto della materia prima combustibile invece del prodotto finito energia elettrica )

10 Le principali problematiche Per l installatore Iter autorizzativi Aspetti economici (elevato costo specifico delle soluzioni più innovative, scarsa valorizzazione dell energia elettrica ceduta alla rete, ecc.) Conciliazione della domanda elettrica/termica/frigorifera (scelta della taglia e della tipologia di impianto) Per il sistema elettrico 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 Introduzione di nuove sorgenti emissive in aree urbane o comunque densamente popolate

11 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 %) 11

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

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

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

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

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

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

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

19 Attività Le applicazioni della cogenerazione Taglia media delle sezioni CAR per settore di attività (dati GSE, anno 2006) 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

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

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

22 Prestazioni di un cogeneratore Primo principio termodinamica ENERGIA TERMICA = ENERGIA MECCANICA Secondo principio termodinamica ENERGIA TERMICA ENERGIA MECCANICA 1 kj di ACQUA CALDA 1 kj di VAPORE 1 kj di ELETTRICITA

23 Prestazioni di un cogeneratore I Rendimento di primo principio U produzione utile consumo combustibile II Rendimento di secondo principio produzione utile pesata "termdinamicamente" consumo combustibile

24 Il rendimento di secondo principio produzione utile pesata "termdinamicamente" II consumo combustibile II rev rev E e E E 1 c T T 0 t ml, CHP T T CHP T 0 T ml, CHP T ln T CHP CHP T T 0 0 s

25 Il rendimento di secondo principio II rev T rev E e E E 1 ml, CHP c T T 0 t ml, CHP T ln T CHP CHP T T T = 15 C rev ,5 rev T CHP ( C)

26 Il confronto con la produzione separata COGENERAZIONE E c PRODUZIONE SEPARATA E cs =E cse +E cst E cse 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 E t ts 1 e es 1 t ts

27 Il piano rendimento elettrico - termico RENDIMENTO TERMICO PES=0 U =1-0.2 =PCS/PCI U = es = ts RENDIMENTO ELETTRICO

28 Gruppi cogenerativi con turbine a gas

29 Gruppi cogenerativi con turbina a vapore turbina in contropressione

30 Gruppi cogenerativi con turbina a vapore turbina in derivazione

31 Gruppi combinati cogenerativi

32 Gruppi cogenerativi con motori a combustione interna alternativi

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