Cogenerazione. UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria. Dipartimento di Energetica S.Stecco Sezione di Macchine

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1 Cogenerazione La cogenerazione di energia elettrica e calore è considerata come una delle forme più efficaci di risparmio energetico Gran parte dell'energia termica viene utilizzata a temperature relativamente basse, utilizzando processi di combustione Le temperature di combustione variano da oltre 2000 C (combustione adiabatica di miscele stechiomeriche), fino a C (con opportuni accorgimenti), valori comunque assai superiori a quelli di utilizzo dell energia termica ( C) La cogenerazione implica il recupero di calore allo scarico di un impianto destinato alla produzione di energia elettrica (per effettuarlo può essere tollerabile una diminuizione del lavoro specifico) I vantaggi della cogenerazione implicano costi aggiuntivi, in gran parte legati alla necessità di sistemi per il trasferimento del calore (scambiatori), caratterizzati da ampie superfici di scambio termico. L incremento delle superfici di scambio è necessario per ridurre il salto di temperatura che si utilizza per il trasferimento del calore Anche i costi di gestione e manutenzione sono maggiori rispetto al caso di impianti convenzionali. Pag. 1

2 Schematizzazioni dei sistemi cogenerativi Sistemi generatori di potenza ad energia primaria con recupero termico totale o parziale Il combustibile m c è utilizzato nel generatore di potenza (GP) che produce energia meccanica (W) e scarta il calore Q 2GP, il quale è recuperato mediante RT e quindi in parte utilizzato (Q U ) e in parte rilasciato all ambiente (Q ST ) Sistemi ad energia primaria con recupero termico ed introduzione di energia supplementare Rispetto al caso precedente l utenza termica é alimentata anche da una combustione diretta a valle del sistema generatore di potenza (es. postcombustione TG) Aumenta l energia termica disponibile (Q 2PC >Q 2GP ) m c m c m c GP W Q 2GP RT QU Q ST GP PC RT Q 2GP W Q 2PC Q U Q ST Pag. 2

3 Le caratteristiche dei diversi motori primi consentono di coprire una vasta gamma di applicazioni cogenerative al variare di carico elettrico e termico. Campi di impiego -1 Pag. 3

4 Campi di impiego -2 La scelta dell impianto dipende anche dalla temperatura alla quale è richiesto il calore; questa influisce sulle prestazioni dell impianto Pag. 4

5 Campi di impiego -3 Le prestazioni degli impianti ed il loro costo dipendono dalla potenza installata Pag. 5

6 Parametri di prestazione - 1 Rendimento ettrico Valuta solo le prestazioni dell impianto per la produzione di energia elettrica Rendimento totale ( o di primo principio) Il calore e la potenza meccanica sono equiparati W = Q Si analizza l impianto secondo il primo principio della termodinamica f tot = ( W + Q f Q UT ) = + Q W UT = 1 + Q W UT = IE Tale rendimento è direttamente proporzionale al rendimento elettrico Indice ettrico Indica il rapporto fra energia elettrica e calore utilizzato W IE = Q UT Pag. 6

7 Parametri di prestazione 2 - Indice di Risparmio Energetico Quantifica il risparmio di energia dell impianto cogenerativo rispetto al caso in cui la produzione di energia elettrica sia fatta dal sistema nazionale ( _grid 0,4) e il calore prodotto da un generatore di calore convenzionale ( GC ; il valore dipende dalla taglia e dal tipo di combustibile; è compreso tra 0,8 e 0,93) IRE = 1 Q W _ IN grid _ COG + Q UT GC = 1 W W _ grid + Q UT GC Il numeratore evidenzia l energia termica (o il consumo di energia primaria) in ingresso all impianto cogenerativo (Q 1N_COG = m c HCI = W / ) Il denominatore evidenzia il calore usato dal sistema di produzione di energia elettrica nazionale e dalla caldaia separata NPGGS Pag. 7

8 MCI turbocompresso Cogenerazione con MCI Il recupero di calore dai MCI è possibile: -dall acqua di raffreddamento -dai gas di scarico -dall olio lubrificante -dall interrefrigerazione del compressore per motori sovralimentati -dal raffreddamento dell alternatore -... Complessivamente il calore è reso disponibile a temperature relativamente basse ( C) I MCI non sono adatti per produzione di vapore di processo (portate basse) I valori di Indice ettrico sono elevati (0,7 1,5) I costi di manutenzione sono elevati Pag. 8

9 Cogenerazione con impianti a vapore - 1 Impianti a vapore a contropressione Turbina a vapore a contropressione a condensatore caldo Sono impianti semplici, proponibili su taglie 1 Mwe 10 MWe I valori di Indice ettrico sono molto bassi (0,1 0,2) L impianto è rigido per la regolazione: il carico termico dell utenza comanda rispetto alla produzione di energia elettrica L impianto è molto adatto per cogenerazione industriale in settori ad alto consumo di calore (produzione carta, tessile,...) I costi di manutenzione sono molto limitati Sostanzialmente é un normale impianto a vapore, nel quale il condensatore opera in condizioni pressurizzate e calde, in base alla specifica richiesta dell utenza termica Pag. 9

10 Cogenerazione con impianti a vapore - 2 Impianti a vapore a spillamento Rispetto agli IV a contropressione, sono impianti molto flessibili per la regolazione indipendente di carico elettrico e termico La flessibilità comporta costi di impianto ed alla fine su base annuale l IRE risulta alto solo se l impianto ha operato in modalità prossima all IV a contropressione... Sono impianti proponibili su taglie 4 MWe 20 MWe (sarebbero comunque soluzioni con TV a doppio corpo) I valori di Indice ettrico di progetto sono bassi (0,2-0,3) L impianto è molto adatto per cogenerazione industriale, in settori ad alto consumo di calore (produzione carta, tessile,...) I costi di manutenzione sono molto limitati Turbina a vapore a condensazione con spillamento Pag. 10

11 Cogenerazione con Turbine a Gas - 1 Turbine a gas Turbina a gas con post-combustione Il punto critico è rappresentato dal rendimento della caldaia a recupero, difficilmente superiore a 0,7 in queste applicazioni (il sistema non si connota come a energia totale ) Sono impianti proponibili su taglie 2 MWe 40 MWe I valori di Indice ettrico sono medi (0,7-1) L impianto è adatto per cogenerazione industriale, in settori a consumo equilibrato di calore ed elettricità (tessile, chimica, materie plastiche, laterizi,...); anche per cogenerazione civile (teleriscaldamento). Turbina a gas con iniezione di vapore Le soluzioni con iniezione di vapore sono molto flessibili per la regolazione, nel senso che il vapore non destinato all utenza termica può essere utilizzato per incrementare la produzione di energia elettrica (o viceversa). I costi di manutenzione sono limitati Pag. 11

12 Cogenerazione con Turbine a Gas - 2 Un problema caratteristico delle turbine a gas in configurazione cogenerativa é il rendimento relativamente limitato della caldaia a recupero, collegato alla rilevanza delle perdite per calore sensibile allo scarico (caratteristiche di sistemi con eccesso d'aria elevato). Tale rendimento è espresso dal rapporto: cr = Q rec /Q rec max = (T 4 - T st )/(T 4 - T a ) La temperatura T 4 allo scarico della turbina a gas è di norma compresa tra 400 e 600 C; peraltro, la temperatura al camino T st non può raggiungere valori molto bassi (prossimi a T a 25 C), per due motivi fondamentali: 1) al di sotto dei 100 C esistono problemi legati alla condensazione dell'umidità presente nei gas di scarico (H2O proveniente perlopiù dalla combustione di idrogeno).inoltre risulta problematico garantire un adeguato tiraggio al camino - il pennacchio di gas freddi presenta una scarsa tendenza al galleggiamento rispetto all'aria ambiente in cui viene immesso. 2) molti processi cogenerativi riconducono il fluido termovettore (di norma acqua) alla caldaia a recupero in condizioni di temperatura ancora elevate (80-90 C nel caso di recupero del condensato in condizioni di pressione atmosferica; fino a C per macchine che reuperano il vapore condensato in condizioni pressurizzate); è quindi impossibile raffreddare i gas nella caldaia a recupero al di sotto della temperatura minima dell'utenza termica. Pag. 12

13 Cogenerazione con Turbine a Gas - 3 Esempio: Si calcoli il valore del rendimento della caldaia a recupero per una temperatura di scarico dei gas alla turbina T 4 = T ig = 500 C, assumendo T a = 25 C e T st = T ug pari a 200 oppure 120 C. cr = Q rec /Q rec max = (T 4 - T st )/(T 4 - T a ) cr = (500 - T st ) / (500-25) = 0,63 per T st = 200 C; = 0,80 per T st = 120 C Pag. 13

14 Cogenerazione con Turbine a Gas Iniezione di vapore C Steam Manifold CC m f1 T S V2 V1 Stack m Gas Le Turbine a gas hanno una potenzialità di generazione di vapore superiore alla quantità tipica iniettabile a monte della camera di combustione. m Air PC HRSG Process Heat Load m f2 m W_MU In base ai fabbisogni (elettrico e termico) é possibile graduare quanto vapore inviare all iniezione e quanto al processo produttivo. L attivazione della Postcombustione agiunge un ulteriore margine di flessibilità all impianto (Ciclo Cheng ). Taglie proponibili 2-50 MW e (problema del consumo di acqua). Pag. 14

15 Cogenerazione con Turbine a Gas Cicli Combinati Gas-Vapore Sono impianti proponibili su taglie 40 MWe 600 MWe I valori di Indice ettrico di progetto sono medio/alti (0,7-1,5). L impianto è adatto per cogenerazione industriale, in settori a consumo equilibrato di calore ed elettricità (tessile, chimica, materie plastiche, laterizi,...); anche per cogenerazione civile (teleriscaldamento). Il costo d impianto è elevato. Ciclo Combinato con Post Combustore e Turbina a vapore in contropressione La regolazione è molto flessibile, ma nell esercizio occorre fare attenzione a rispettare su base annuale i limiti imposti dalla legislazione (IRE) per godere delle agevolazioni ed incentivi di legge. I costi di manutenzione sono limitati in termini relativi al kwh, ma si tratta comunque di grandi impianti termoelettrici che richiedono una gestione onerosa. Ciclo Combinato con Post Combustore e Turbina a vapore a condensazione con spillamento Pag. 15

16 Bilanci Energetici Q 2 Le potenzialità cogenerative e i bilanci energetici dipendono dalla tipologia di impianto adottato. Esempio: variazione della potenza elettrica per diverse tipologie di impianto a parità di calore cogenerato Diagrammi di Grassmann Q Ut Q Ut W Q 2 W Q 2 IV contropressione TG + HRSG W Ciclo combinato Q Ut Pag. 16

17 Teleriscaldamento Il Teleriscaldamento rappresenta un interessante possibilità di applicazione civile della Cogenerazione. Il Teleriscaldamento, tipicamente impiegato in zone a clima freddo, consiste nell insieme degli elementi utilizzati per generare e trasferire il calore generato alle utenze termiche che non sono ubicate presso la centrale di cogenerazione Serve una rete di distribuzione del calore Normalmente sono presenti sottostazioni di distribuzione a livello di quartiere, condominio,... La rete primaria è in genere con acqua calda in pressione (circa 5 bar) a C; agli utenti finali si distribuisce calore con una rete secondaria locale a C. In grandi città del Nord sono presenti reti di distribuzione primaria di vapore Oggi esiste la possibilità di distribuire calore/freddo (Trigenerazione) Pag. 17

18 Aspetti legislativi e normativi Le leggi sul risparmio energetico (9 e 10 del 1991) e le conseguenti delibere CIPE ( ) hanno facilitato il diffondersi della cogenerazione Il principio fondamentale è quello che consente l autoproduzione di energia elettrica in presenza di un impianto di cogenerazione in cui il peso relativo del calore cogenerato sia superiore ad una quota minima fissata per legge. Generalmente è imposta una elevata quantità di calore cogenerato, dell ordine del 70-80% rispetto al valore dell energia elettrica prodotta. Vantaggi ulteriori derivano dalla possibilità di "Vettoriamento" di energia elettrica e da prezzi di rivendita alla borsa dell energia convenienti per l'energia prodotta in modo cogenerativo (assimilata alle fonti rinnovabili) Col vettoriamento un azienda con più siti produttivi può distribuire tramite la rete nazionale l energia elettrica auto prodotta ad altre sedi non dotate di impianto di cogenerazione, a costi nulli o marginali In ogni caso, per l'autoproduttore/cogeneratore di energia elettrica e termica risulta fondamentale la possibilità di interscambiare energia elettrica a costi contenuti mediante il collegamento in parallelo alla rete nazionale Si coprono così gli inevitabili eccessi/carenze di energia elettrica prodotta Pag. 18

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21 DLGS 8/02/2007 n. 20 (Allegato 3 Metodo di calcolo del rendimento del processo di cogenerazione) Recepimento Direttiva Europea 2004/08/CE Pag. 21