Cogenerazione: tecnologie a confronto

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1 CESI RICERCA Cogenerazione: tecnologie a confronto MILANO 8 ottobre 2008 Fabio Armanasco fabio.armanasco@cesiricerca.it

2 1. Definizione di CHP 2. Motori primi convenzionali Turbine a vapore Turbine a gas Cicli combinati Motori alternativi 3. Motori primi innovativi Celle a combustibile Microturbine a gas Impianto trigenerativo CesiRicerca 4. Tecnologie a confronto SOMMARIO

3 COGENERAZIONE CHP La generazione simultanea in un unico processo di energia Termica ed Elettrica e/o di energia Meccanica (Direttiva 2004/8/CE definizioni)

4 MOTORI PRIMI CONVENZIONALI

5 TURBINE A VAPORE

6 Tecnologia più utilizzata nel mondo per tutto il xx secolo Turbina a condensazione: Il vapore a bassa pressione allo scarico della turbina, è inviato direttamente al condensatore Massima efficienza nel processo di conversione combustibile - vapore Turbina a contropressione: Il vapore (P>Patm) allo scarico della turbina è impiegato in altri processi Basse pressioni Alte pressioni Turbine ad estrazione: Turbine a vapore: riscaldamento urbano ambito industriale (ad es. espansione in un ulteriore TV) Il vapore dalla macchina è estratto ad una pressione intermedia per poter successivamente essere utilizzato in altri processi (cogenerazione o per riscaldare dell acqua) Punti di estrazione molteplici in funzione della temperatura richiesta e dall impiego

7 Caratteristiche tecnico-economiche: economiche: Stato della tecnologia Commerciale Taglia (MW) > 0.5 Rendimento elettrico (%) Rendimento totale (%) Costo capitale ( /kw) Costi O&M ( /kwh) Vita media (anni) > 25 Tipi combustibili Tipo uso calore recuperto Carbone, legno, gas naturale, oli, rifiuti solidi urbani Vapore bassa/alta pressione, teleriscaldamento Caratteristiche tecnico-economiche di alcune piccole turbine a vapore

8 Vantaggi/Svantaggi: Vantaggi: Tecnologia consolidata Alta affidabilità Combustibili non costosi Lunga vita operativa Svantaggi: Bassa efficienza elettrica (per taglie piccole) Costi elevati dei sistemi ausiliari (caldaia condensatore) Difficoltà ottenimento permessi di sistemi di raffreddamento aperti

9 TURBINE A GAS

10 Turbine a gas: Tecnologia matura ed ampiamente diffusa nel mondo, utilizzati finora per la copertura delle punte di carico grazie alla loro facilità e rapidità di avviamento TG COMPRESSORE COMBUSTORI TURBINA GENERATORE ELETTRICO insieme estremamente compatto Turbine a gas di derivazione aeronautica: Leggere e compatte Rapporti di compressione elevati (20-30 : 1) ed alte velocità (oltre 5000 rpm) Turbine a gas heavy-duty : Unità di grossa taglia ( MW elettrici) Rapporti di compressione più bassi (5-10 : 1) e minori velocità ( rpm)

11 Caratteristiche tecnico-economiche: economiche: Stato della tecnologia commerciale Taglia (MW) >0.5 Rendimento elettrico (%) Rendimento totale (%) Costo capitale ( /kw) Costi O&M ( /kwh) Vita media (anni) 20 Tipi combustibili Tipo uso calore recuperto Gas naturale, biogas, olio uso diretto, acqua calda, vapore LP-HP, telerisc. Caratteristiche tecnico economiche delle turbine a gas

12 Vantaggi: Vantaggi/Svantaggi: Piccole dimensioni e pesi Tempi brevi d installazione Basse emissioni Basse vibrazioni e rumore Cogenerazione di alta qualità Veloce start-up e facile gestione Lunga vita operativa Svantaggi: Bassa efficienza elettrica (per taglie piccole) Bassa parzializzazione (a giri fissi) Combustibile di alta qualità Le piccole taglie sono costose

13 CICLI COMBINATI (GTCC)

14 Cicli combinati: Gli impianti di generazione a ciclo combinato (Gas Turbine Combined Cycle) sono costituiti dall accoppiamento di un TG con una TV La caldaia tipica del ciclo a vapore è sostituita con una caldaia a recupero, in cui sono convogliati i fumi scaricati dal turbogas ad alta temperatura per generare il vapore da espandere nella TV La configurazione più semplice consiste nel ciclo combinato ad un solo livello di pressione, in cui la caldaia a recupero utilizza i fumi per preriscaldare, far evaporare e surriscaldare l acqua ed in cui TG e TV sono coassiali e calettate sullo stesso albero Di fatto la stragrande maggioranza dei cicli combinati di grossa taglia ha uno schema a tre livelli di pressione, che permette di raggiungere efficienze anche superiori al 55% elevati rendimenti energetici complessivi GTCC: costi d investimento per chilowatt elettrico relativamente bassi tempi di costruzione contenuti vantaggi ambientali dell impiego del gas naturale

15 CHP con GTCC:

16 MOTORI ALTERNATIVI

17 I motori alternativi sono macchine termiche che generano energia meccanica attraverso la combustione della miscela aria-combustibile in un cilindro. L'energia liberata dalla combustione viene utilizzata per imprimere ad un pistone un moto alterno, convertito da un meccanismo biella-manovella nel moto rotatorio di un albero motore. Accensione comandata a scintilla AS: ciclo Otto (combustione a V costante) Accensione per compressione AC: Due tempi: Quattro tempi: Aspirati: Sovralimentati: Motori alternativi: ciclo Diesel (combustione a P costante) il ciclo si compie con due corse del pistone il ciclo si compie con quattro corse del pistone l aria viene immessa nel cilindro a condizione ambiente un turbocompressore utilizza l energia dei gas di scarico per innalzare la pressione dell aria aspirata dal pistone, aumentandone la sua densità e di conseguenza incrementando la potenza del motore. Si impiegano questi motori quando i costi dell elettricità da rete sono elevati o dove non è conveniente realizzare nuove linee di distribuzione per far fronte ad un aumento del carico Attualmente sono una delle forme più diffuse di generazione distribuita in Europa

18 Caratteristiche tecnico-economiche: economiche: Stato della tecnologia commerciale Taglia (MW) Rendimento elettrico (%) Rendimento totale (%) Costo capitale ( /kw) Costi O&M ( /kwh) Vita media (anni) 15 Tipi combustibili Tipo uso calore recuperto Gas naturale, biogas, comb. liquidi Acqua calda, vapore bassa pressione, teleriscaldamento Caratteristiche tecnico economiche dei motori a combustione interna

19 Vantaggi: Tecnologia consolidata Alta efficienza Alta affidabilità Alta flessibilità Alta modularità Bassi costi d installazione Vantaggi/Svantaggi: Svantaggi: Rumore elevato Emissioni elevate (Diesel) Alti costi di manutenzione (Diesel) Cogenerazione di bassa qualità

20 MOTORI PRIMI INNOVATIVI

21 CELLE A COMBUSTIBILE

22 Celle a combustibile: L energia chimica viene trasformata in energia elettrica tramite reazioni elettrochimiche Consiste di due elettrodi in materiale poroso, un elettrodo negativo anodo (alimentato da idrogeno) ed un elettrodo positivo catodo (alimentato da aria), separati da un elettrolita L idrogeno, attivato da un catalizzatore, si separa in protoni ed elettroni, che prendono percorsi differenti per raggiungere il catodo: Elettroni: attraverso un circuito esterno, creando un flusso di elettricità Protoni: attraverso l elettrolita, dove reagiscono con l ossigeno e gli elettroni producendo acqua H 2 O + O 2 in eccesso + aria H 2 O Aria (O 2 ) O 2 CATODO 4e - calore ELETTROLITA 4H + energia elettrica ANODO 2H 2 4e - residuo anodico: H 2 (..) Combustibile (H 2 ) Principio di funzionamento di una cella a combustibile ad acido fosforico (PAFC)

23 Caratteristiche tecnico-economiche: economiche: Tipo di cella a combustibile PEMFC PAFC MCFC SOFC Potenza elettrica [kw] Efficienza elettrica cella [%] Efficienza elettrica sistema [%] Efficienza globale [%] Temperatura di funzionamento [ C] Vita operativa [ore] Costo d impianto [ /kw] * celle a combustibile alcaline (AFC) utilizzate principalmente per impieghi spaziali celle ad acido fosforico (PAFC) in fase di commercializzazione celle a membrana a scambio di protoni (PEMFC) prossime alla commercializzazione celle a carbonati fusi (MCFC) in fase dimostrativa e di test celle a ossidi solidi (SOFC) in fase dimostrativa e di test

24 Vantaggi: Rendimenti elettrici elevati Tempi brevi d installazione Basse emissioni Bassa manutenzione Basse vibrazioni e rumore Buone prestazioni ai carichi parziali Cogenerazione di alta qualità per le celle ad alta temperatura Svantaggi: Vantaggi/Svantaggi: Costi d investimento elevati Tecnologia non matura, vita operativa limitata Tempi lunghi di accensione per celle ad alta temperatura Sistemi e infrastrutture di produzione, distribuzione e accumulo d idrogeno SVILUPPI FUTURI: MCFC: in cicli combinati con turbine con taglie da 200kW a 20 MW SOFC: per impieghi nel terziario e nell industria in cicli combinati con turbine fino a 20MW PEMFC, PAFC: per micro-cogenerazione nel residenziale e terziario - da alcuni kw a centinaia di kw

25 MICROTURBINE A GAS

26 Piccole turbomacchine che utilizzano combustibili liquidi o gassosi per generare potenza meccanica ad alta velocità dell ordine di rpm Compressore e turbina (macchine radiali monostadio) sono tipicamente calettati sullo stesso albero insieme al generatore elettrico e montati su cuscinetti magnetici o ad aria Come le più grandi turbine a gas, possono essere usate nella produzione combinata di energia elettrica e calore recuperando l energia termica posseduta dai fumi a valle dell espansione in turbina Le differenze peculiari tra le MTG si individuano nei seguenti aspetti costruttivi: Numero di alberi Tipo di cuscinetti Microturbine a gas: Tipo di materiali utilizzati nelle sezioni ad alta temperatura Presenza o meno del rigeneratore (scambiatore fumi/aria) Occupano attualmente la fascia di potenza elettrica compresa tra decine e poche centinaia di kw trovando impieghi in edifici commerciali o in piccole industrie

27 Caratteristiche tecnico-economiche: economiche: Stato della tecnologia commerciale Taglia (kw) Rendimento elettrico (%) Rendimento totale (%) Costo capitale ( /kw) Costi O&M ( /kwh) Vita media (anni) 12 Tipi combustibili Tipo uso calore recuperto Gas naturale, biogas Uso diretto, acqua calda, vapore bassa pressione Caratteristiche tecnico economiche delle microturbine

28 Vantaggi/Svantaggi: Vantaggi: Buone caratteristiche di parzializzazione, grazie al convertitore statico Compattezza e leggerezza, rapidità di installazione Idoneità alla cogenerazione, rapidità di avviamento, facilità gestione Basse emissioni inquinanti, poche vibrazioni e bassa rumorosità In prospettiva lunghe durate operative (come i turbogas), bassa manutenzione, buona affidabilità Possibilità di utilizzare diversi combustibili. Svantaggi: Al momento troppo costosa Il rendimento elettrico modesto limita le applicazioni ai soli sistemi cogenerativi.

29 Impianto di trigenerazione CESI RICERCA: TORRE EVAPORATIVA FILTRO ARIA CAMINO GAS SCARICO SCARICO ARIA LAVAGGIO TURBEC T100-CHP SERIE II (2000) VENTOLA ARIA QUADRO ELETTRICO COMPRESSORE GAS SCAMBIATORE FRIGORIFERO ASSORBIMENTO DISSIPATORE

30 TECNOLOGIE A CONFRONTO

31 Efficienza a potenza nominale a confronto: 60.0 Nominal load efficiency η [%] Diesel Gas TurboGas Microturbine Nominal Load [kw]

32 Efficienza ai carichi parziali a confronto: 1.2 Partial load efficiency η/η NL Diesel Gas TurboGas Microturbine % Nominal Load

33 Criteri di scelta: Caratteristica Scelta Taglie < 100 kw Microturbine, Motori alternativi 100 kw-1000 kw Motori alternativi > 1000 kw Motori alternativi, Turbine a gas Efficienza elettrica Motori alternativi, Fuel cells? Flessibilità Motori alternativi, Fuel cells? Qualità Cogenerazione Bassa qualità (acqua calda max 90 C) Alta qualità (vapore ad alta pressione) Motori alternativi Turbine a gas

34 Criteri di scelta: Caratteristica Scelta Emissioni Rumore Costi d impianto Celle a combustibile, Turbine a gas, Microturbine Turbine a gas, Microturbine Motori alternativi,turbine a gas > 5 MW Costi di O&M Turbine a gas, Microturbine Vita operativa Turbine a gas

35 GRAZIE PER L ATTENZIONE