Direttiva «Efficienza Energetica»: Alcune conseguenze sulla cogenerazione italiana

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1 Direttiva «Efficienza Energetica»: Alcune conseguenze sulla cogenerazione italiana Giuseppe Dell Olio GSE Rimini, 7 novembre 2013

2 DIRETTIVA 2012/27/UE DEL PARLAMENTO EUROPEO E DEL CONSIGLIO del 25 ottobre 2012 sull'efficienza energetica, che modifica le direttive 2009/125/CE e 2010/30/UE e abroga le direttive 2004/8/CE e 2006/32/CE

3 DIRETTIVA 2012/27/UE È opportuno facilitare l'accesso alla rete dell'energia elettrica prodotta mediante cogenerazione ad alto rendimento, soprattutto per le unità di piccola cogenerazione o di microcogenerazione.

4 DIRETTIVA 2012/27/UE 38) «unità di piccola cogenerazione», un'unità di cogenerazione con una capacità installata inferiore a 1 MWe ; 39) «unità di micro-cogenerazione», un'unità di cogenerazione con una capacità massima inferiore a 50 kwe ;

5 DIRETTIVA 2012/27/UE 2. Gli Stati membri provvedono affinché: a) sia effettuata una valutazione dei potenziali di efficienza energetica, in particolare per quanto riguarda i generatori di energia di microdimensioni;

6 DIRETTIVA 2012/27/UE Gli Stati membri possono agevolare in particolare la connessione alla rete dell'energia elettrica da unità di piccola cogenerazione e di micro-cogenerazione.

7 DIRETTIVA 2012/27/UE È opportuno tenere conto della struttura specifica dei settori della cogenerazione, che comprendono molti produttori di piccole e medie dimensioni in applicazione del principio «innanzitutto pensare piccolo» («Think Small First»).

8 Dissipatori: esempio

9 Il numero di ore di funzionamento ed il fattore di carico Numero equivalente di ore di funzionamento (Heq): rapporto tra l energia elettrica prodotta annualmente e la potenza dell unità. Heq è pari al numero di ore durante le quali l unità avrebbe funzionato se avesse prodotto costantemente la massima potenza. Heq è un buon indice di regolarità del funzionamento: un valore prossimo al massimo teorico annuale suggerisce che l unità sia stata esercìta in prossimità della massima potenza e con un limitato numero di avviamenti e di arresti. Sono, queste, condizioni di funzionamento favorevoli, perché prossime a quelle di progetto; le prestazioni dell impianto (i rendimenti, in particolare) sono elevate.

10 Il numero di ore di funzionamento ed il fattore di carico Viceversa, in presenza di un basso Heq si può ritenere che avviamenti ed arresti siano stati numerosi. E improbabile che un impianto funzioni ininterrottamente per pochi mesi, e trascorra in fermata tutto il resto dell anno. Più realistico supporre un alternarsi frequente di periodi di funzionamento e di fermata. Quella sulla frequenza degli avviamenti è l unica indicazione che può trarsi da un basso valore di Heq. Nulla può concludersi invece riguardo alla durata dei periodi di funzionamento: l impianto potrebbe aver funzionato poche ore alla piena potenza, oppure più a lungo ma con potenza ridotta.

11 Il numero di ore di funzionamento ed il fattore di carico Maggiori lumi offre, in tal caso, il fattore di carico Fc, sempre inferiore o uguale ad uno. Valore Heq diviso per il numero effettivo (Heff) di ore di funzionamento nell anno.

12 Il numero di ore di funzionamento ed il fattore di carico Quanto più Fc è prossimo all unità, tanto più l impianto si è mantenuto vicino alla piena potenza, indipendentemente dalla durata complessiva di funzionamento. In particolare, un Fc elevato indica che i transitori di avviamento e di arresto numerosi, per le ragioni già viste- sono brevi. Avviamenti ed arresti influiscono sulle prestazioni dell impianto: si tratta di fasi di esercizio durante le quali il fluido vettore del calore (vapore, ad esempio) non ha ancora raggiunto, oppure ha già perso, le caratteristiche di pressione e temperatura che lo rendono adatto all impiego utile. Il suo contenuto termico deve quindi essere dissipato: perdita di rendimento.

13 Il Power to Heat Ratio (PTOH) Rapporto tra l energia elettrica ed il calore utile, prodotti da un unità di cogenerazione in un dato anno. Importante per la valutazione della cogenerazione ad alto rendimento. Inoltre, è un indice di nobiltà energetica. A parità di calore utile prodotto, un elevato PTOH significa una maggior quantità di energia pregiata (l energia elettrica) Un PTOH elevato indica che il fluido vettore (ad esempio, il vapore), prima di essere impiegato come calore, ha potuto espandersi in turbina, producendo energia elettrica.

14 I rendimenti Rendimento elettrico : rapporto tra l energia elettrica prodotta dall unità in un dato anno e l energia consumata, sotto forma di combustibile, per tale produzione. Rendimento globale (o totale ): tiene invece conto di entrambi i prodotti energetici: non solo dell energia elettrica, ma anche del calore utile. La somma di tali prodotti viene rapportata all energia combustibile utilizzata per la loro produzione.

15 Gli elementi strutturali Elementi strutturali in grado di influire sull esercizio dell unità: dissipatori. Dispositivi di dissipazione (ad es., ventilatori) Dispositivi di bypass per i fumi di scarico. Se una parte del calore viene dispersa ad opera di dissipatori, è possibile incorrere in una sovrastima del PTOH.

16 Produzione : analisi su un campione di unità di cogenerazione il campione disponibile è stato suddiviso in tre gruppi. primo gruppo: unità dotate di dissipatori (calcolo per eccesso del PTOH). Secondo gruppo: unità prive di dissipatori (calcolo per difetto del PTOH). Terzo gruppo: unità che, per carenza di informazioni, non si sono potute includere né nel primo né nel secondo.

17 Dati di esercizio : analisi su un campione di unità di cogenerazione Primi due gruppi, nel loro insieme: campione ristretto. I tre gruppi, insieme: campione ampliato (coincide con il campione originario).

18 Dati di esercizio : campione ristretto (i valori di «fattore di carico» sono calcolati su un sottoinsieme, per maggiore accuratezza)

19 Dati di esercizio : campione ristretto Ore equivalenti di funzionamento: tendenzialmente più elevate in presenza di dissipatori. Ciò conferma che i dissipatori possono effettivamente conferire all unità almeno in alcuni casi- una maggiore flessibilità e continuità di esercizio: svincolano la produzione elettrica da quella termica, consentendo, ad esempio, di proseguire la prima anche quando la seconda debba essere interrotta. Rendimento elettrico tendenzialmente migliore (esercizio più regolare e più prossimo alle condizioni nominali). Il prezzo di tali elevate caratteristiche: dissipazione di calore, e dunque, in generale, minor rendimento complessivo.

20 Dati di esercizio : campione ristretto Motore a combustione interna: è la tecnologia che meno ha bisogno di dissipatori per funzionare bene. Raggiunge i più elevati valori di PTOH e di rendimento elettrico. Fattore di carico molto elevato, che si accompagna ad un basso Heq: l agilità propria dei motori a combustione interna consente di avviarli ed arrestarli rapidamente, limitando al minimo la durata del funzionamento a potenza ridotta. I dissipatori causano una significativa perdita di rendimento totale.

21 Dati di esercizio : campione ristretto Turbina a gas: ottimo rendimento totale, ma rendimento elettrico modesto. PTOH è inferiore (sempre <1) Fattore di carico aumenta sensibilmente in presenza di dissipatori, così come le ore equivalenti Heq. Si deve ritenere che le turbine a gas siano poco adatte a frequenti variazioni di esercizio (avviamenti, arresti, variazioni di carico).

22 Dati di esercizio : campione ristretto Cicli combinati gas-vapore: è massimo il divario fra stima per difetto del PTOH e stima per eccesso. Scarsa attitudine al funzionamento in regime variabile; frequente impiego di dissipatori. Il rendimento elettrico si riduce drasticamente passando dalla stima per eccesso a quella per difetto. Gli alti rendimenti elettrici richiedono un regime di funzionamento regolare e costante, che non può ottenersi se non dissipando calore: così facendo, però, si penalizza il rendimento globale.

23 Dati di esercizio : campione ampliato (i valori di «fattore di carico» sono calcolati su un sottoinsieme, per maggiore accuratezza)

24 Dati di esercizio : campione ampliato Indicazioni sostanzialmente coerenti con quelle già esposte. Motore a combustione interna: ottimi valori di PTOH e di rendimento elettrico. Meno buono (ma pur sempre dignitoso) il rendimento totale. Complementari a quelle dei motori sono le prestazioni delle turbine a gas: ottimo rendimento totale rendimento elettrico e PTOH più modesti.

25 Dati di esercizio : campione ampliato Cicli combinati: efficienti quanto al rendimento elettrico ed al PTOH. Meno brillanti quanto al rendimento totale ed al fattore di carico. Si tratta spesso di impianti di grande potenza, obbligati perciò a modulare la produzione elettrica in funzione delle mutevoli esigenze di esercizio della rete. Il basso fattore di carico può spiegarsi così. Occorre d altra parte evitare che tale modulazione abbia conseguenze sulla produzione di calore: occorre cioè rendere indipendenti le due produzioni. Per ottenere ciò si fa evidentemente ricorso frequente a dispositivi di dissipazione, accettando la perdita di rendimento globale.

26 Dati di esercizio : la microcogenerazione (i valori di «fattore di carico» sono calcolati su un sottoinsieme, per maggiore accuratezza)

27 Dati di esercizio : la micro-cogenerazione Il campione disponibile comprende unicamente motori a combustione interna privi di dissipatori (sottoinsieme del «secondo gruppo»). Elevatissimo rendimento globale Si spiega, in parte, con la pratica (sempre più diffusa) del recupero di calore dal vapor d acqua contenuto nei fumi di scarico. Fattore di carico quasi pari ad 1. Insieme con il basso valore di Heq, conferma l attitudine di questi motori ad avviarsi e ad arrestarsi in tempi assai brevi. Significativa diminuzione del rendimento elettrico e del PTOH.

28 Riepilogo risultati Motore a combustione interna: si rivela la tecnologia più adatta alla cogenerazione. E in grado di seguire agevolmente le variazioni del carico termico pur mantenendo, in generale, elevati valori di PTOH e buoni rendimenti. Alle piccole potenze, le prestazioni migliori tendono a spostarsi dal rendimento elettrico a quello totale.

29 Riepilogo risultati Leggermente meno buono il comportamento delle turbine a gas. soffrono di più il funzionamento variabile. raggiungono valori inferiori di rendimento elettrico e di PTOH.

30 Riepilogo risultati Impianti a ciclo combinato gas-vapore: appaiono in grado di fornire buoni rendimenti soltanto a condizione di non subire frequenti variazioni di esercizio. Mediocri le prestazioni degli impianti a vapore: rendimenti e PTOH bassi, Scarsa attitudine al funzionamento a carico variabile.

31 Possibili indicazioni per la progettazione Frazionare la potenza: preferire più unità di piccola taglia piuttosto che una sola, di taglia maggiore. Rinunciare ai dissipatori: la modulazione della potenza termica si potrà effettuare avviando o arrestando singole unità. Le (limitate) perdite di produzione elettrica si potranno coprire con prelievi dalla rete o suddividendo i carichi elettrici in «privilegiati» e «non privilegiati». In tal modo, vantaggi quanto all efficienza e quanto alla continuità di funzionamento.