Gli atti dei convegni e più di contenuti su

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1 ermotecnica Cogenerazione Pompe di Industriale Calore Gli atti dei convegni e più di contenuti su

2 La normazione tecnica in materia di cogenerazione: criticità di settore e spunti per nuove attività Prof. Pier Ruggero Spina Dipartimento di Ingegneria - Università di Ferrara Presidente SC 04 "Sistemi e macchine per la produzione di energia" Comitato ermotecnico Italiano 1

3 Il quadro normativo vigente Codice norma itolo UNI 9927:1992 UNI 9923:1992 UNI 7582:1988 Gruppi per la produzione combinata di energia elettrica e calore azionati da motori alternativi a combustione interna Metodi di prova in campo Centrali termoelettriche Smaltimento all ambiente del calore di condensazione erminologia, classificazione e grandezze caratteristiche Generatori di vapore Direttive per il lavaggio chimico lato acqua-vapore UNI 8887:2014 Unità di cogenerazione e indici caratteristici

4 Spunti per nuove attività

5 1 - Parte 5 norma UNI 10389: "Misurazioni in campo - Generatori di calore - Parte 5: Cogeneratori" Scopo: fornire delle linee guida per i controlli di efficienza energetica previste dal rapporto di controllo di efficienza energetica "ipo 4 - Cogeneratori" di cui al decreto DM 10/2/2014 "Modelli di libretto di impianto per la climatizzazione e di rapporto di efficienza energetica di cui al decreto del Presidente della Repubblica n. 74/2013"

6 1 - Parte 5 norma UNI 10389: "Misurazioni in campo - Generatori di calore - Parte 5: Cogeneratori" Scopo: fornire delle linee guida per i controlli di efficienza energetica previste dal rapporto di controllo di efficienza energetica "ipo 4 - Cogeneratori" di cui al decreto DM 10/2/2014 "Modelli di libretto di impianto per la climatizzazione e di rapporto di efficienza energetica di cui al decreto del Presidente della Repubblica n. 74/2013"

7 1 - Parte 5 norma UNI 10389: "Misurazioni in campo - Generatori di calore - Parte 5: Cogeneratori" Scopo: fornire delle linee guida per i controlli di efficienza energetica previste dal rapporto di controllo di efficienza energetica "ipo 4 - Cogeneratori" di cui al decreto DM 10/2/2014 "Modelli di libretto di impianto per la climatizzazione e di rapporto di efficienza energetica di cui al decreto del Presidente della Repubblica n. 74/2013"

8 1 - Parte 5 norma UNI 10389: "Misurazioni in campo - Generatori di calore - Parte 5: Cogeneratori" Scopo: fornire delle linee guida per i controlli di efficienza energetica previste dal rapporto di controllo di efficienza energetica "ipo 4 - Cogeneratori" di cui al decreto DM 10/2/2014 "Modelli di libretto di impianto per la climatizzazione e di rapporto di efficienza energetica di cui al decreto del Presidente della Repubblica n. 74/2013" Allo stato attuale è disponibile solo una norma UNI , per gli impianti con generatore di calore a fiamma per le altre tipologie di impianti, in attesa che l'uni pubblichi le pertinenti norme tecniche o prassi di riferimento, si provvede a redigere e sottoscrivere il relativo rapporto di controllo di efficienza energetica, e le relative pagine del libretto di impianto, senza effettuare il controllo del sottosistema di generazione

9 2 - Sistemi micro ORC: ausiliari e micro ausiliari. Come si calcolano le prestazioni di cogenerazione in presenza di cascami termici considerando tutti gli ausiliari fumi Produzione termica Recupero dai fumi Sistema di recupero ORC Aux el. interni Energia utile elettrica in rete Produzione elettrica Fonte primaria Combustione Esterna o Cascame termico da sistema opper o Sorgente termica a bassa entalpia Fluido termovettore Energia utile termica a bassa temperatura La valutazione degli indici di prestazione cogenerativa richiede una corretta definizione del confine d impianto e la valutazione dei consumi interni in relazione a tale confine Produzione termica

10 3 - Calcolo del rendimento degli espansori volumetrici ecnologie Flussi di potenza e dissipazioni orbital converter W Gen rotary reciprocating W ad : lavoro adiabatico dal fluido W me : lavoro meccanico all albero W gen : energia elettrica dal generatore W el Perdite per: 1) sotto/sovra-espansione, 2) ricompressione, 3) leakage interno, 4) valvole aspirazione e scarico, 5) dispersione di calore da parteti : energia elettrica utile La valutazione delle prestazioni di tali espansori per applicazioni di recupero del calore a bassa temperatura richiede di includere anche aspetti di non «adiabaticità» della macchina

11 4 - Immissione in rete di teleriscaldamento da fonte solare termica. Reti attive di teleriscaldamento Solar hermal Panel Electric Grid Micro-CHP Electric Grid Utility Electric Power Utility Electric Power hermal Power hermal Power District Heating Network District Heating Network

12 4 - Immissione in rete di teleriscaldamento da fonte solare termica. Reti attive di teleriscaldamento Possibili schemi di connessione tra utenza e rete di teleriscaldamento DHN supply DHN return DHN supply DHN return Primary circuit (P) DGS HX-P ertiary circuit () Scheme 1 supply - return Primary circuit (P) DGS HX-P ertiary circuit () Scheme 2 supply - supply DHN supply Primary circuit (P) HX-PS Secondary circuit (S) DGS HX-S HX-P ertiary circuit () DHN return Scheme 3 return - return DHN supply Primary circuit (P) HX-PS Secondary circuit (S) DGS HX-S HX-P ertiary circuit () DHN return Scheme 4 return - supply HX-PS Secondary circuit (S) HX-S HX-PS Secondary circuit (S) HX-S

13 5 - Valutazione dell'efficienza energetica di sistemi multi sorgente Esempio: Sistema integrato termovalorizzatore + ciclo combinato. Due combustibili differenti e diversamente pregiati (rifiuto assimilabile a rinnovabile) che concorrono alla produzione di un unico output (potenza elettrica) High pressure superheated 50 bar; 380 C L1 S Waste I air II air o flue gas cleaning Middle pressure superheated 20 bar; 360 C L2 Natural gas CC S 3.54 bar C air HRSG o flue gas cleaning DEA

14 5 - Valutazione dell'efficienza energetica di sistemi multi sorgente GAS NAURALE F NG OPPER Control surface P G Q EXH P O POENZA ELERICA RIFIUI F W BOOMER P S QUALE INDICAORE ADOARE PER QUANIFICARE LE PRESAZIONI DI UN SISEMA MULI-SORGENE? QUELE MEODO UILIZZARE PER ARIBUIRE A CIASCUN COMBUSIBILE IL PROPRIO CONRIBUO ALLA GENERAZIONE DI POENZA (IN PARICOLARE IN PRESENZA DI COMBUSIBILI RINNOVABILI O ASSIMILABILI)?

15 5 - Valutazione dell'efficienza energetica di sistemi multi sorgente Indici di prestazione proposti Nome indice definizione significato Incremento di potenza P S P S F W WE,ref Incremento di potenza all espansore valutato rispetto alla produzione da WE convenzionale Efficienza di riferimento WE, ref 0,25 Efficienza di primo principio I PO F F W NG Entrambi i combustibili con lo stesso peso - Indice di sinergia Multi fuel SI MF P O (F W F W WE,ref F NG F NG G ) Misura il beneficio rispetto alla generazione separata WE, ref G, ref 0, 25 G G utilizzata Indice di sinergia del gas naturale NG P O F F W NG WE,ref Misura il beneficio a seguito dell integrazione attribuita al gas naturale WE, ref 0,25 Indice di sinergia del rifiuto el,w P O F F NG W NG,ref Misura il beneficio a seguito dell integrazione attribuita al rifiuto G, ref 0,41 Ciclo combinato ad 1 livello

16 6 - Valutazione dell'efficienza energetica di sistemi di poligenerazione IGCC

17 Generazione distribuita - Valorizzazione dell'energia prodotta da sistemi programmabili a sostegno delle fonti rinnovabili non programmabili WIND: VARIABLE ENERGY RESOURSE Wind farm model Gs: PROGRAMMABLE RESOURCE GRID G model Firm power

18 7 - Generazione distribuita - Valorizzazione dell'energia prodotta da sistemi programmabili a sostegno delle fonti rinnovabili non programmabili Soddisfacimento del carico più oneroso in presenza di fonti rinnovabili non programmabili Wind power [MW] DAY2: 06/30/2011 and 07/01/2011 DAY 1: 06/28/2011 and 06/29/2011 DAY 2 1 min Wind ramp rate [MW/min] DAY2 DAY DAY AM AM AM Minute hour/day Minute Produzione giornaliera di un parco eolico da 4.5 GW in due giornate estive consecutive: potenza eolica prodotta estremamente variabile Variazione di potenza eolica repentina: Ramp rate compresi tra +90 MW/min. e 60 MW/min.

19 P WIND [MW] 7 - Generazione distribuita - Valorizzazione dell'energia prodotta da sistemi programmabili a sostegno delle fonti rinnovabili non programmabili L inseguimento del profilo eolico richiede una continua e repentina regolazione dei sistemi programmabili P G,OAL [MW] P G,OAL P WIND Richieste unità di generazione con ampi margini di regolazione (carico minimo) e buona efficienza anche ai carichi parziali Necessità di stabilire logiche di gestione opportune in presenza di macchine con caratteristiche differenti P G [MW] Minute P G1 P P G2 G3 P G P G Minute

20 Norma UNI 8887:2014

21 La vecchia norma UNI 8887: «Sistemi per processi di cogenerazione»

22 La vecchia norma UNI 8887: «Sistemi per processi di cogenerazione»

23 La nuova norma UNI 8887:2014 Aggiornamento «terminologia», «definizioni» e «classificazioni», in accordo alla legislazione vigente;

24 La nuova norma UNI 8887:2014 Aggiornamento «terminologia», «definizioni» e «classificazioni», in accordo alla legislazione vigente; Aggiornamento «indici energetici», in accordo alla legislazione vigente:

25 La nuova norma UNI 8887:2014 Aggiornamento «terminologia», «definizioni» e «classificazioni», in accordo alla legislazione vigente; Aggiornamento «indici energetici», in accordo alla legislazione vigente:

26 La nuova norma UNI 8887:2014 Aggiornamento «terminologia», «definizioni» e «classificazioni», in accordo alla legislazione vigente; Aggiornamento «indici energetici», in accordo alla legislazione vigente; Introduzione di nuovi indici per il calcolo delle emissioni di un cogeneratore

27 Emissioni di un cogeneratore H 2 O N 2 O 2 CO 2 altro

28 Emissioni di un cogeneratore: il raggio d'azione stratosfera troposfera mesosfera spostamento verticale [km] O 3 ore giorni idrocarburi SO 2 NOx NH 3 particolato mesi CO anni decenni CO spostamento orizzontale [km] CH 4 altri gas serra tempo di residenza nell'atmosfera comunale Impatto locale provinciale regionale nazionale e internazionale Impatto globale

29 Emissioni di un cogeneratore: l'unità di misura input-based combustibile la concentrazione di inquinante nei fumi (mg/nm 3 ): non immediato il legame con l energia del combustibile e nessuna informazione sull efficienza della conversione Emissione per unità di energia del combustibile (mg/kj): nessuna informazione sull efficienza della conversione output-based Energia utile Emissione per unità di energia utile prodotta (mg/kwh): chiaro indicatore del rapporto tra il costo ambientale ed il beneficio per la collettività

30 Emissioni di un cogeneratore: i limiti di una normativa "input based" il cogeneratore è visto dall attuale normativa in materia ambientale (di tipo "input-based") come una caldaia o come un generatore elettrico non si tiene conto del doppio prodotto (elettricità e calore)

31 Emissioni di un cogeneratore: i limiti di una normativa "input based" Quali limiti adottare? assoggettare un sistema CHP agli stessi limiti autorizzativi ambientali previsti per il motore primo non CHP: idoneo per cogeneratori topping (MCI, MG, G, ecc.) dove l energia elettrica è l effetto utile primario e il termico è il sottoprodotto del ciclo termodinamico assoggettare un sistema CHP agli stessi limiti autorizzativi ambientali previsti per un impianto di sola generazione di calore (caldaia): idoneo per cogeneratori bottoming (ORC, PV, ecc.) dove la produzione di elettricità è di secondaria importanza e avviene sfruttando il calore recuperato da un processo di combustione dedicato alla produzione termica assoggettare un sistema cogenerativo a limiti autorizzativi ambientali appositamente introdotti per la cogenerazione

32 Emissioni di un cogeneratore: gli indici proposti dalla nuova norma UNI 8887:2014 criterio basato sulla valutazione degli inquinanti a impatto locale: il metodo della caldaia evitata (emissioni equivalenti di un cogeneratore) confronto con la produzione separata per inquinanti ad impatto globale: il metodo dell ESI (Indice di Risparmio Ambientale)

33 Il metodo della caldaia evitata Il beneficio ambientale della cogenerazione è legato al fatto che, grazie al recupero termico, posso evitare di tenere in esercizio una caldaia, risparmiandone le emissioni. A B Motore non cogenerativo E e E t A B In cogenerazione E e E t E t

34 Il metodo della caldaia evitata Il beneficio ambientale della cogenerazione è legato al fatto che, grazie al recupero termico, posso evitare di tenere in esercizio una caldaia, risparmiandone le emissioni. cog cog nocog t A t B E E t e nocog t t E E t e emissioni del cogeneratore [mg/kwe] emissioni del motore primo in assetto non cogenerativo [mg/kwe] emissioni di riferimento della caldaia evitata [mg/kwt] produzione termica del cogeneratore [kwt] produzione elettrica del cogeneratore [mg/kwe]

35 Il riferimento della caldaia evitata t t Il rendimento di riferimento della caldaia evitata può essere scelto: secondo il Regolamento Delegato (UE) 2015/2402 secondo AEEG 42/02 (0.8 per civile, 0.9 per industriale) secondo Scheda ecnica 21 (delibere AEEG 177/05 e 187/05) utilizzando t log Pn ( kw ) Le emissioni di riferimento della caldaia evitata possono essere scelte: secondo le classi di merito previste nelle norme UNI EN 483, 656 utilizzando i limiti imposti dalle autorità competenti alle caldaie

36 L Indice di Risparmio Ambientale - ESI Le emissioni della cogenerazione vengono messe in relazione con le emissioni della grande produzione separata di elettricità e calore. ESI A B A B C 1 e e t t E E t e Produzione separata ambito locale Cogenerazione A B C km E e E t E e E t

37 La produzione elettrica di riferimento e e Il rendimento elettrico di confronto può essere scelto: secondo il Regolamento Delegato (UE) 2015/2402 (in funzione al combustibile) secondo AEEG 42/02 (in funzione di taglia e combustibile) Le emissioni di riferimento della produzione elettrica: valori medi della produzione nazionale BA ESI richiede inoltre i valori di riferimento del termico (come il metodo caldaia evitata ): t t

38 Un esempio numerico Cogeneratore MCI Rendimento termico 0.50 Rendimento elettrico 0.35 Rendimento globale 0.85 Emissioni di NOx [mg/kwh pci ] 200 Riferimenti impiegati Rendimento termico caldaia evitata (Regolamento Delegato (UE) 2015/ costruzione ante 2016) Rendimento elettrico di riferimento (Regolamento Delegato (UE) 2015/ costruzione ante 2016) NOx: emissione caldaia evitata [mg/kwh pci ] ( secondo Norme UNI 297, 483 & 656) NOx: emissioni della produzione elettrica di riferimento [mg/kwh pci ] (ENEL, Rapporto ambientale 2006) Risultati concentrazione [mg/nm 3 ] 175 Emissioni input-based [mg/kwh pci ] 200 emissioni del motore non cogenerativo [mg/kwh e ] 571 emissioni evitate [mg/kwh e ] (metodo caldaia evitata) 317 emissioni equivalenti del motore cogenerativo [mg/kwh e ] 254 ESI 0.23

39 Un secondo esempio numerico Cogeneratore MCI Rendimento termico 0.50 Rendimento elettrico 0.35 Rendimento globale 0.85 Emissioni di NOx [mg/kwh pci ] 200 Riferimenti impiegati Rendimento termico caldaia evitata (Regolamento Delegato (UE) 2015/ costruzione post 2016) Rendimento elettrico di riferimento (Regolamento Delegato (UE) 2015/ costruzione post 2016) NOx: emissione caldaia evitata [mg/kwh pci ] ( Norme UNI 297, 483 & 656) NOx: emissioni della produzione elettrica di riferimento [mg/kwh pci ] (ENEL, Rapporto ambientale 2013) Risultati concentrazione [mg/nm 3 ] 175 Emissioni input-based [mg/kwh pci ] 200 emissioni del motore non cogenerativo [mg/kwh e ] 571 emissioni evitate [mg/kwh e ] (metodo caldaia evitata) 155 emissioni equivalenti del motore cogenerativo [mg/kwh e ] 416 ESI -0.25

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