Case History Convenienza economica, energetica e ambientale: quando e come?

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1 Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l energia e lo sviluppo economico sostenibile Seminario Tecnico Cogenerazione ad Alto Rendimento e Microcogenerazione Lo scenario normativo italiano Case History Convenienza economica, energetica e ambientale: quando e come? Lunedì 23 Giugno 2014 Ordine degli Ingegneri della Provincia di Latina Piazza Celli,3 Referente scientifico: Ing. Nicolandrea Calabrese andrea.calabrese@enea.it

2 LA PRODUZIONE COMBINATA DI ENERGIA QUANDO PROPORRE UN IMPIANTO CHP COMBINED HEAT AND POWER Consumi elettrici e termici costanti nel tempo o in fase, stabili per almeno 3000/4000 h e certezza/sicurezza del mantenimento nel tempo degli stessi carichi Costo elevato dell energia elettrica (ad esempio per consumi concentrati nelle fasce più costose) Elevato costo unitario dell energia termica (combustibile non defiscalizzato) Presenza di un carico frigorifero da soddisfare con gruppi frigoriferi ad assorbimento, in modo da poter sfruttare il recupero termico in tutte le stagioni

3 LA PRODUZIONE COMBINATA DI ENERGIA QUANDO PROPORRE UN IMPIANTO CHP Diagrammi di Carico Si, quando i carichi elettrici e termici sono in fase. No, quando i carichi elettrici e termici sono sfasati : necessità di accumuli, complessi e costosi.

4 LA PRODUZIONE COMBINATA DI ENERGIA QUANDO PROPORRE UN IMPIANTO CHP Curve di durata Si, quando i carichi elettrici e termici sono caratterizzati da una durata annua significativa: per 4000 h/anno la potenza termica richiesta è superiore a 300 kw circa, pari al 43% del picco. No, in quanto il carico termico dopo 2000 h/anno tende ad annullarsi.

5 I NUMERI DELLA COGENERAZIONE ITALIANA Fonte: AjCARR JOURNAL N 11 Novembre/Dicembre 2011

8 LAYOUT IMPIANTISTICO DI UN IMPIANTO DI COGENERAZIONE con motore endotermico

10 LAYOUT IMPIANTISTICO DI UN IMPIANTO DI COGENERAZIONE con motore endotermico 241 kw l/h

12 LAYOUT IMPIANTISTICO DI UN IMPIANTO DI COGENERAZIONE con motore endotermico mc/h

13 LAYOUT IMPIANTISTICO DI UN IMPIANTO DI COGENERAZIONE con motore endotermico 241 kw

14 LAYOUT IMPIANTISTICO DI UN IMPIANTO DI TRIGENERAZIONE con motore endotermico SIMBOLI

15 LAYOUT IMPIANTISTICO DI UN IMPIANTO DI TRIGENERAZIONE con motore endotermico

16 COSTO DEI GRUPPI FRIGO AZIONATI TERMICAMENTE Analisi COSTO SPECIFICO gruppi frigo ad assorbimento Variazione del costo dell impianto ad assorbimento in relazione alla potenza istallata Nota. Il costo comprende anche i costi di: - Torre evaporativa - Gruppi di circolazione - SKID di contenimento - Quadro elettrico dedicato

17 CASI STUDIO CASI STUDIO ANALIZZATI CASO I: Utenza domestica CASO II: Utenza alberghiera 1a) P t = 14,8 kwt P e = 5,5 kwe 1b) P t = 5,5 kwt P e = 0,99 kwe P t = 150 kwt P e = 100 kwe CASO III: ANALISI COMPARATIVA RISTORAZIONE COLLETTIVA

18 CASI STUDIO CASO 1a: Multy Family House 1CASO 1a: Multi Family House P t = 14,8 kwt P e = 5,5 kwe Cogeneratore basato su un motore alternativo a combustione interna alimentato a gas naturale, dotato di uno scambiatore di calore aggiuntivo (Scambiatore di Calore con i Gas Combusti, SCGC), installato esternamente, che consente un ulteriore recupero dell energia termica dalla condensazione del vapore d acqua contenuto nei gas combusti MCHP: Micro-Combined Heating and Power Fonte: AjCARR JOURNAL N 11 Novembre/Dicembre 2011

19 CASI STUDIO CASO 1a: Multy Family House Utenza Domestica - Multi Family House, costituita da 10 appartamenti. - Napoli (zona climatica C). Giorno Tipo 1 Giorno Tipo 2 Giorno Tipo 3 Giorno Tipo 4 Periodo - Gennaio - Febbraio - Marzo - dal 15 Novembre al 31 Dicembre - Aprile - Maggio - dal 16 Settembre al 14 Novembre - Dal 1 Giugno al 15 Settembre Stagione Inverno Intermedio Intermedio Estivo Carico Riscaldamento Elettrico Sanitario Riscaldamento Elettrico Sanitario Elettrico Sanitario Elettrico Sanitario Sistema Tradizionale di riferimento (ST) -Energia termica con caldaia a condensazione alimentata a gas naturale, per il soddisfacimento delle richieste di energia termica per riscaldamento ambientale e ACS (rendimento termico nominale uguale a 1,02, pari al rendimento termico medio annuale della caldaia di integrazione del SP); -Rete di distribuzione elettrica nazionale, che presenta per l Italia un rendimento pari a 0,46, incluse le perdite di trasmissione e distribuzione. Fonte: AjCARR JOURNAL N 11 Novembre/Dicembre 2011

20 CASI STUDIO CASO 1a: Multy Family House Utenza Domestica Curve di carico termico per il riscaldamento Energia termica per Acqua Calda Sanitaria (Giorno tipo 2 e Giorno tipo 3) Picco mattutino di potenza termica richiesta affinchè la temperatura all interno dell edificio raggiunga il valore desiderato di 20 C. Di contro, la potenza termica richiesta si riduce poi nell arco della giornata, fino a raggiungere il valore minimo nelle ore centrali della giornata. La richiesta di energia termica per ACS è stata stimata ipotizzando un fabbisogno di 40 litri al giorno per persona: anche in questo caso, è possibile osservare i tipici picchi di richiesta mattutini e serali. Fonte: AjCARR JOURNAL N 11 Novembre/Dicembre 2011

21 CASI STUDIO CASO 1a: Multy Family House Sistema Proposto (SP): -Motore a combustione interna (micro-cogenerazione) alimentato a gas naturale. -Integrazione con caldaia a condensazione. -Indice elettrico secondo AGFW FW308 (potenza elettrica / potenza termica) =0,41 -η e = 0,272; η t = 66,8; η tot = 94,0 -Unità è dotata di uno scambiatore di calore aggiuntivo (SCGC), installato esternamente, per il recupero dell energia termica dalla condensazione del vapore d acqua contenuto nei gas combusti (incremento CUC). -Accumulo termico da 3500 l; -Accumulo di ACS da 1000 l. con SCGC Fonte: AjCARR JOURNAL N 11 Novembre/Dicembre 2011

22 CASI STUDIO CASO 1a: Multy Family House Sistema Proposto: Potenze del MCHP e della caldaia per il giorno tipo invernale (Tipo 1) 5,5 kwe - Pel,MCHP potenza elettrica erogata dal MCHP. - Pth,MCHP+SCGC potenza termica erogata dal microcogeneratore con SCGC; - Pth,MCHP potenza termica erogata dal microcogeneratore senza SCGC; 14,8 kwt - Pp,MCHP la potenza primaria richiesta dal MCHP; - Pth,B potenza termica erogata dalla caldaia; Fonte: AjCARR JOURNAL N 11 Novembre/Dicembre 2011

23 CASI STUDIO CASO 1a: Multy Family House Sistema Proposto: Potenze del MCHP per il giorno tipo estivo (Tipo 4) 5,5 kwe 14,8 kwt Fonte: AjCARR JOURNAL N 11 Novembre/Dicembre Pel,MCHP potenza elettrica erogata dal MCHP. - Pth,MCHP+SCGC potenza termica erogata dal microcogeneratore con SCGC; - Pth,MCHP potenza termica erogata dal microcogeneratore senza SCGC; - Pp,MCHP la potenza primaria richiesta dal MCHP; MCHP da solo è in grado di soddisfare il fabbisogno di energia termica, in quanto esso è solamente relativo alla richiesta di ACS, dunque non vi è necessità di attivare la caldaia di integrazione.

24 CASI STUDIO CASO 1a: Multy Family House Il microcogeneratore riesce ad ottenere valori di rendimento e di CUC del tutto confrontabili con quelli nominali, in particolare nei giorni tipo 1 e 2, in cui la presenza del carico termico per riscaldamento ambientale comporta per il cogeneratore un elevato numero di ore di funzionamento continuato in condizioni stazionarie. Ovviamente le ore di funzionamento del MCHP si riducono notevolmente nei giorni tipo 3 e 4. Bilanci Energetici Fonte: AjCARR JOURNAL N 11 Novembre/Dicembre 2011 CUC annuo (94,9%)

25 CASI STUDIO CASO 1a: Multy Family House CONFRONTO TRA SISTEMA TRADIZIONALE di riferimento (ST) E SISTEMA PROPOSTO (SP) Risparmio di Energia Primaria REP su base annua: 14,0% Fonte: AjCARR JOURNAL N 11 Novembre/Dicembre 2011 Emissioni evitate di CO 2 ΔCO 2 su base annua: 19,8% Fattori d emissione: 0,531 kgco 2 /kwhel per la rete elettrica nazionale; 0,200 kgco 2 /kwhp per il gas naturale.

26 CASI STUDIO CASO 1a: Multy Family House PRIMARY ENERGY SAVING (PES) - Direttiva 2004/8/CE: metodo di calcolo dei rendimenti di riferimento per produzione separata di energia elettrica e termica η el,rif, rendimento elettrico di riferimento. Secondo tale direttiva esso è funzione di: - anno di installazione dell impianto; - tipo di combustibile utilizzato; - condizioni climatiche (temperatura ambiente media dello Stato Membro); - perdite evitate sulla rete elettrica (funzione del livello di tensione a cui l impianto è collegato e dalle aliquote di energia elettrica autoconsumata ed esportata verso la rete.) Si ipotizza: anno d installazione 2011, collegamento alla rete di bassa tensione (< 400 V) e temperatura ambiente media per l Italia di 18 C. η th,rif, rendimento termico di riferimento Esso risulta funzione di: -tipo di combustibile; -Tipo di recupero termico dai gas combusti, a seconda se il calore recuperato venga utilizzato direttamente o ceduto ad un fluido termovettore secondario, acqua calda o vapore (come accade per il micro-cogeneratore analizzato). Rendimento termico di riferimento: rendimento termico del caso studio pari a 0,9 Fonte: AjCARR JOURNAL N 11 Novembre/Dicembre 2011

27 CASI STUDIO CASO 1a: Multy Family House PRIMARY ENERGY SAVING (PES) - Direttiva 2004/8/CE D.Lgs. 20 del 2007, modificato dal Decreto 4 agosto 2011 Se il CUC dell impianto su base annua è maggiore di un valore di soglia (nel caso di cogeneratore con motore a combustione interna pari a 75%), allora la quantità di energia elettrica da introdurre nel calcolo del PES (E el, CHP ) coincide con la totale produzione elettrica dell impianto. L impianto in oggetto raggiunge un CUC annuo (94,9%) ben più elevato di tale valore limite, quindi tutta l energia elettrica prodotta (23,3 MWh) può considerarsi elettricità da cogenerazione. Per impianti di taglia inferiore ad 1 Mw el si ha che: Andamento del PES caso studio PES > 0 Cogenerazione ad alto rendimento Fonte: AjCARR JOURNAL N 11 Novembre/Dicembre 2011 Accesso ad una serie di benefici quali: defiscalizzazione del combustibile, accesso al servizio di scambio sul posto, riconoscimento dei Titoli di Efficienza Energetica, precedenza nel dispacciamento.

28 CASI STUDIO CASO 1b: Utenza domestica 1 CASO 1b: UTENZA DOMESTICA P t = 5,7 kwt P e = 0,99 kwe Fonte: VIESSMANN

29 CASI STUDIO CASO 1b: Utenza domestica Utenza Domestica - Casa monofamiliare - Edificio d'epoca, anno di costruzione 1985 (150 kwh/m 2 /a) - Superficie abitabile: 200 m 2 - Inquilini: 5 Sistema Tradizionale di riferimento - Energia elettrica da rete - Energia termica con caldaia a gas a bassa temperatura con produzione centralizzata di acqua calda Fonte: VIESSMANN

30 CASI STUDIO CASO 1b: Utenza domestica Sistema Proposto: - Micro-cogeneratore dotato di motore Stirling per la produzione decentrata di energia elettrica e calore - Caldaia a gas a condensazione integrata, utilizzata come caldaia per il carico di punta (scambiatore di calore Inox-Radial Viessmann e bruciatore cilindrico MatriX) PLUS DI PRODOTTO: - Tubazioni comuni di alimentazione gas e scarico fumi - Assenza di manutenzione per il motore Stirling: solo manutenzione ordinaria annuale, consueta per ogni caldaia a gas a condensazione.

31 CASI STUDIO CASO 1b: Utenza domestica Dati tecnici principali Motore Stirling - 0,99 kwe; - 5,7 kwt; - grado di rendimento complessivo 96 % (Hs)/107 % (Hi); - Caldaia per il carico di punta: da 4,8 a 20 kw con rendimento stagionale 98 % (Hs)/109 % (Hi). In sintesi le caratteristiche principali: -Ideale per il rammodernamento di case mono e bifamiliari -Produzione parallela di corrente e calore -Motore Stirling esente da manutenzione -Riduzione al minimo dei costi di corrente elettrica -Dimensioni d'ingombro compatte ed elevata facilità di manutenzione -Funzionamento silenzioso -Contatore elettrico integrato -Rimborso dell'imposta sull'energia per il consumo di gas da parte del motore Stirling, possibile grazie a contatore integrato -Installazione semplice (analoga a quella di una caldaia murale a gas) -Contacalorie integrato che fornisce le indicazioni necessarie per il calcolo degli incentivi.

32 CASI STUDIO CASO 1b: Utenza domestica Bilanci Energetici

33 CASI STUDIO CASO 1b: Utenza domestica Calcolo delle spese di gas per caldaia a gas a bassa temperatura rispetto a Vitotwin 300-W (Mercato tedesco)

34 CASI STUDIO CASO 1b: Utenza domestica Calcolo dei costi energetici con Vitotwin 300-W (Mercato tedesco)

35 CASI STUDIO CASO 1b: Utenza domestica

36 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera 1CASO II: UTENZA ALBERGHIERA P t = 2x75 = 150 kwt P e = 2x50 = 100 kwe Fonte: Tesi di laurea Cogenerazione in una Utenza Alberghiera Andrea Menconi. Università degli Studi di Pisa

37 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera Utenza Alberghiera - Albergo di medie dimensioni; - elevato fattore di utilizzo e di contemporaneità riguardo all'assorbimento di energia elettrica e calore; - in accordo con quanto deciso dalla direzione dell albergo, accensione del sistema di riscaldamento dal 15 Novembre al 15 Aprile (NOTA: zona climatica D: 1 Novembre 15 Aprile) PALERMO NAPOLI ROMA MILANO ZONA B ZONA C ZONA D ZONA E Fonte: Tesi di laurea Cogenerazione in una Utenza Alberghiera Andrea Menconi. Università degli Studi di Pisa

38 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera ANALISI DEI CONSUMI (ANNO ) Energia Elettrica

39 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera ANALISI DEI CONSUMI (ANNO ) Acqua

40 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera ANALISI DEI CONSUMI (ANNO ) Gas

41 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera ANALISI DEI CONSUMI (ANNO ) Ripartizione Consumo Gas Il consumo di gas per i servizi sanitari è stato ottenuto ipotizzando di utilizzare 3 m 3 di gas per ogni m 3 di acqua.

42 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera ANALISI DEI CONSUMI (ANNO ) Giorni Tipo

43 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera Sistema Proposto (SP): -N 2 motori endotermici alimentati a gas naturale da 50 kw el cadauno e con rapporto termico / elettrico pari a 1,5 (P t =75 kw t ); -Caldaia d integrazione (già presente nella struttura) con η t = 0,8; -ALTERNATIVA 1: Sistema di condizionamento elettrico composto da N 2 gruppi frigo elettrici da 114 kw f cadauno, che assorbono 2x46,9 kw el con un EER medio stagionale di 2,43; -ALTERNATIVA 2: Sistema di condizionamento composto da un gruppo frigo ad assorbimento da 228 kw f con COP 0,7; SELEZIONE COGENERATORE Il cogeneratore insegue il carico termico (elettrico a seguire).

44 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera Bilanci Energetici Funzionamento cogeneratore nell anno solare I giorni tipo: rappresentano una curva tipica di assorbimento energetico che si può riscontrare frequentemente durante il corso dell'anno. Essi rappresentano l'andamento giornaliero tipico dei carichi dell'utenza. Produzione elettrica Produzione termica

45 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera Bilanci Energetici Funzionamento cogeneratore nell anno solare Produzione elettrica Produzione termica

48 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera Funzionamento cogeneratore nell anno solare Gruppo frigo Assorbimento Bilanci Energetici Produzione elettrica Produzione termica

50 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera Gruppo frigo Assorbimento Bilanci Energetici Funzionamento cogeneratore nell anno solare Produzione elettrica Produzione termica

51 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera Bilanci Energetici GF Assorbimento GF Assorbimento

52 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera CONFRONTO TRA SISTEMA DI RIFERIMENTO (ST) E SISTEMA PROPOSTO (SP) Coefficienti di conversione medi: -1 kwh = 0, TEP -1 m 3 di gas = 0, TEP. GF Assorbimento Il risparmio netto, in TEP, è ricavato dalla differenza tra i TEP consumati fornendo l energia con le modalità tradizionali e quelli ipotizzati a consumo nella soluzione con cogeneratore; tale risparmio è pari a circa il 19% per la cogenerazione con gruppo frigo elettrico ed a circa il 12% per la cogenerazione abbinata ad un sistema di climatizzazione realizzato con gruppo frigo ad assorbimento.

53 CASI STUDIO CASO II: Utenza alberghiera CONFRONTO TRA SISTEMA TRADIZIONALE di riferimento (ST) E SISTEMA PROPOSTO (SP) L esborso iniziale è pari a euro per l impianto di cogenerazione con gruppo frigo elettrico; la spesa è di circa euro per l impianto di cogenerazione gruppo ad assorbimento PBT: Periodo di rimborso VAN: Valore Attuale Netto TIR: Tasso interno di rendimento DPBT: tempo di recupero attualizzato Caso alberghiero con cogenerazione e gruppo frigo elettrico PBT: Periodo di rimborso VAN: Valore Attuale Netto TIR: Tasso interno di rendimento DPBT: tempo di recupero attualizzato Caso alberghiero con cogenerazione e gruppo frigo ad assorbimento

54 ANALISI COMPARATIVA DIFFERENTI SOLUZIONI TECNICHE STABILIMENTO RISTORAZIONE COLLETTIVA CASO III: ANALISI COMPARATIVA RISTORAZIONE COLLETTIVA Azienda: CAMST (stabilimento di UDINE) Settore: ristorazione collettiva P t = 93 kwt P e = 50 kwe Fonte: energy perts.net Claudia Vannoni; Conferenza EINSTEIN II, 10 Maggio 2012

55 ANALISI COMPARATIVA DIFFERENTI SOLUZIONI TECNICHE STABILIMENTO RISTORAZIONE COLLETTIVA Fonte: energy perts.net Claudia Vannoni; Conferenza EINSTEIN II, 10 Maggio 2012

71 Utilizzo del calore solare e ambientale per la climatizzazione Le nostre attività di ricerca e sviluppo: Grazie per l attenzione