Le tecnologie per la piccola e micro cogenerazione

Università degli Studi di Ferrara Comitato Termotecnico Italiano GIORNATA DI STUDIO Organizzata dall Universit Università degli studi di Ferrara col patrocinio del Comitato Termotecnico Italiano Energia e Ambiente Cogenerazione distribuita per applicazioni civili e residenziali FERRARA, 5 dicembre 2007 - Aula Magna della Facoltà di Ingegneria, via G. Saragat 1 Le tecnologie per la piccola e micro cogenerazione Prof. Università di Ferrara

Introduzione Esistono numerose tecnologie ormai consolidate per la piccola (< 1 MWel) e micro (< 50 kwel) cogenerazione; solo alcune di queste sono tecnologie consolidate (motori a combustione interna, microturbine a gas) Negli ultimi anni, alcune tecnologie molto promettenti hanno ricevuto una notevole attenzione e sono in fase di introduzione sul mercato Alcune di queste hanno avuto impulso grazie a avanzamento tecnologico e la riduzione dei costi possibilità di utilizzare calore di scarto per produrre energia elettrica attenzione rivolta alle tecnologie adatte alla micro-cogenerazione residenziale, per la quale non è strettamente richiesto il requisito di elevati rendimenti elettrici

Infatti, di tutta l energia consumata in un abitazione, circa l 80%-85% è utilizzata per la produzione di acqua sanitaria e per il riscaldamento degli ambienti Possono quindi risultare attraenti per la cogenerazione residenziale unità micro-cognerative con basso rendimento elettrico, ma con: elevato rapporto P th /P el elevata efficienza di utilizzo del combustibile

Le tecnologie disponibili

Principali tecnologie di generazione elettrica e taglie di potenza Mini-idro eolico Gruppi a vapore Motori Combustione Interna Turbogas in ciclo combinato Fotovoltaico Micro Turbine a gas Turbogas taglia di potenza 1 kw 10 kw 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW 1000 MW

Motori alternativi a combustione interna Micro turbine a gas e turbine a gas Turbine a vapore Cicli combinati Motori Stirling Micro cicli Rankine (a vapore d acqua e ORC) Celle a combustibile Sistemi termofotovoltaici (TPV) Sistemi termoelettrici

Motori alternativi a combustione interna Micro turbine a gas e turbine a gas Turbine a vapore Cicli combinati Motori Stirling Micro cicli Rankine (a vapore d acqua e ORC) Celle a combustibile Sistemi termofotovoltaici (TPV) Sistemi termoelettrici

Motori a Combustione Interna alternativi (MCI) VANTAGGI taglie da 1 kwe a circa 5 MWe tecnologia matura impiegata in diversi campi elevata affidabilità buoni rendimenti di conversione costi di investimento contenuti elevata flessibilità di esercizio SVANTAGGI elevati costi di manutenzione rumorosità e vibrazioni elevati valori di emissioni (NOx e CO)

MCI per uso industriale/civile motori a gas naturale a ciclo Otto (r = 10; normali, lean burn o a carica stratificata) o a ciclo Diesel (depotenziati e con aggiunta di una candela), η e =25-40 %, dual fuel (ciclo Diesel alimentati a gas + 10 % di gasolio) Sovralimentati con turbocompressore e intercooler (sopra i 150 kwe) Ciclo Otto a gas naturale (< 5 kwe, η e = 20-25 %, a giri variabili con elettronica di potenza)

I costi specifici dei MCI 6000 costo specifico [ /kw] 4000 2000 0 1 10 100 1000 taglia [kw elettrici]

Le prestazioni dei MCI: effetto taglia sul rendimento elettrico 0.40 rendimento elettrico 0.36 0.32 0.28 0.24 0.20 0 200 400 600 800 1000 Potenza elettrica [kw]

Schema cogenerativo con MCI da 1 MWe

Bilancio energetico di un MCI da 1 MWe 13,5 % energia elettrica intercooler olio acqua raffr. fumi perdite 37% fumi - T > 400 C 24,6% Acqua di raffr. - T 90-95 C 10,6% 7,5 % 6,5 % intercooler - T 30/40 C olio - T 75-85 C

Schema cogenerativo con MCI da 5 kwe Scarico fumi ~ 80 C costanti Scambiatore fumi Pompa acqua raffreddamento Valvola termostatica Scambiatore olio lubrificaz. Blocco motore Gen. El. max. 73 C

Bilancio energetico di un MCI da 5 kwe energia elettrica energia termica perdite 12 % 27% 61%

1.0 Le prestazioni dei MCI: influenza del carico rendimento elettrico vs valore di design 0.9 0.8 0.7 0.6 0 20 40 60 80 100 % della potenza elettrica

1.2 Le prestazioni dei MCI: influenza della temperatura ambiente 1.1 potenza elettrica 1.0 rendimento elettrico 0.9-5 0 5 10 15 20 25 30 35 temperatura ambiente [ C]

Le Micro Turbine a Gas (potenze < 250 kwe) Non sono uno scale-down delle turbine a gas industriali, ma nascono da una nuova progettazione: turbina e compressori radiali (β=4) ciclo rigenerativo a basso rapporto di compressione elevata velocità di rotazione variabile (50.000 120.000 rpm) turbine non raffreddate (TIT < 950 C)

Cogenerazione con TURBOGAS: le MTG sul mercato Modello Pel [kw] Rendimento elettrico CAPSTONE C30 30 25 CAPSTONE C60 60 28 Ingersoll Rand MT70 70 29 bialbero con riduttore meccanico Bowman TG80 80 28 Elliott TA 100 100 29 Turbec T100 100 30 Capstone C200 200 33 Ingersoll Rand MT250 250 30 monoalbero con riduttore meccanico

Schema di cogenerazione con MTG ε 85 % TOT 250 C NOx 10 ppm @ 15% O 2 η 30% P th /P el 1,5 η 97% η 93%

Bilancio energetico di una MTG da 100 kwe energia elettrica fumi 22 % perdite 30 % 48 %

100 Le prestazioni delle MTG: influenza del carico rendimento elettrico (% del nominale) 80 60 40 20 rendimento elettrico potenza termica condizioni nominali 0 30 40 50 60 70 80 90 100 Potenza elettrica erogata (% del nominale)

1.2 Le prestazioni delle MTG: influenza della temperatura ambiente rispetto al nominale 1.1 1.0 0.9 0.8 potenza elettrica potenza termica rendimento elettrico 10 15 20 25 30 35 40 Tamb ( C)

MTG vs MCI VANTAGGI MTG ridotte emissioni di NOx e CO (<10 ppm @ 15% O2) ingombri e pesi contenuti bassa rumorosità e vibrazioni manutenzione ridotta (ogni 10.000 ore) SVANTAGGI MTG tecnologia emergente costo specifico elevato (1100 /kw) rendimenti elettrici inferiori bassa temperatura fumi (250 C) elevata vita utile (80.000 ore)

Il motore Stirling opera secondo un ciclo chiuso a gas (elio, azoto, aria) combustione esterna e continua (libertà sulla scelta del combustibile, minori emissioni gassose e sonore) calore introdotto e scaricato attraverso scambiatori di calore

1-2 2-3 V=cost V=cost 3-4 4-1 V=cost V=cost

espansione riscald. trasferimento cessione cal. compressione refriger. trasferimento recupero cal. www.keveney.com/

trasferimento recupero cal. www.keveney.com/

Motore Stirling: : ciclo ideale vs reale variazione del volume continua (e non discontinua); introduzione e scarico calore attraverso scambiatori di calore esterni; spazio morto (rigeneratore, tubi, scambiatori) che riduce il rapporto di compressione; perdite di calore e inerzia termica del rigeneratore; perdite di pressione attraverso gli scambiatori ed il rigeneratore; trafilamenti tra cilindro e pistone; attriti meccanici; ecc.

possibile recupero di flussi termici a bassa temperatura (250 C) taglie fino a qualche centinaio di kwe η e =10-35 % elevati tempi di avviamento complessità e varietà di architetture costi 3000 /kwel http://www.energyconcepts.co.uk

Accordo tra Merloni Termosanitari (MTS GROUP) e Enatec

Micro cicli cicli Rankine Basati sul ciclo a vapore (ciclo Rankine) Il calore viene introdotto per combustione esterna in una caldaia e trasferito al fluido di lavoro tramite uno scambiatore Il fluido di lavoro può essere vapore d acqua oppure un fluido organico (ORC Organic Rankine Cycle)

Tecnologia consolidata Combustione esterna (possibilità di utilizzare combustibili di natura diversa) Possibilità di utilizzare il calore scaricato da MTG o MCI (micro-cicli combinati gas-vapore) I cicli a fluido organico (ORC) consentono di superare alcuni limiti imposti dall utilizzo del vapore d acqua. Vantaggi rispetto al vapor d acqua Basse temperature della sorgente di calore (comprese tra i 100 e 400 C) Basse pressioni di vaporizzazione, anche per condizioni prossime a quelle critiche Salti entalpici modesti, che comportano l utilizzo di turbine con numero limitato di stadi (anche uno solo) e dalle velocità di rotazione ridotte

Climate Energy (UK) H 2 O espansore tipo scroll P el = 1-10 kw el Rapporto P th /P el = 8.5

Energetix (UK) ORC espansore tipo scroll Commercializzazione: 2008 P el = 2.5 kw el, η el = 6% Rapporto P th /P el = 13.2

Enginion (Germania) H 2 O espansore volumetrico P el = 3-22 kw el Cogen Micro (Australia) H 2 O espansore scroll Commercializzazione: 2010 P el = 2.5-10 kw el P th = 11-44 kw el

Sistemi Termoelettrici Un circuito bimetallico percorso da corrente continua mostra una differenza di temperatura nella giunzione tra i due metalli (Peltier-Seebeck) Il fenomeno è reversibile: quando due conduttori o semiconduttori uniti tra di loro a formare un termoelemento (o termocoppia) hanno le giunzioni sottoposte ad una differenza di temperatura, all interno del circuito circola corrente elettrica

La maggior parte dei dispositivi termoelettrici è basata su semiconduttori drogati-p e drogati-n connessi elettricamente in serie attraverso strisce di metallo (rame) ed impaccate attraverso piastre ceramiche che fungono da conduttori di calore e da isolanti elettrici

La maggior parte dei dispositivi termoelettrici è basata su semiconduttori di Bismuto-Tellurio drogati-p e drogati-n. Cifra di merito: Z = 2 α ρ λ 1 K α: coeff. di Seebeck [V/K] ρ: resistività [Ω m] λ: conducibilità termica [W/(m K)]

Un sistema di generazione termoelettrico è composto essenzialmente da quattro elementi: una sorgente di calore un generatore (termoelemento) un dissipatore un isolante termico

Rendimenti di conversione (< 5%) e potenza generata per singolo modulo relativamente bassi Qualora l alimentazione sia effettuata tramite calore di scarto, il costo per il combustibile è nullo Rendimento di conversione [%] (Temp. giunto freddo: 300 K) 1 Z 10 3 K Temperatura [K] Rendimento di Carnot [%]

I principali vantaggi offerti dai dispositivi termoelettrici sono assenza di vibrazioni e rumore (non ci sono parti in movimento) vita utile molto elevate (100 000 ore) possibilità di utilizzo come dispositivo reversibile (fornendo energia elettrica può essere utilizzato per refrigerare o riscaldare) Limiti della tecnologia ancora necessaria R&D per ingegnerizzare il sistema rendimenti elettrici molto bassi (1-10 %) costi elevati

Possibili applicazioni possono essere utilizzo del calore umano per alimentare batterie per orologi (10 mw) utilizzo di calore di scarto da processi di conversione dell energia per produrre ulteriore energia elettrica microciclo combinato gas/termoelettrico (10-100 W) utilizzo in generatori di vapore (caldaie) come elemento parassitico ; il sistema termoelettrico utilizza parte di calore che sarebbe comunque utilizzato per altri scopi (applicazione del tutto simile a quella dei sistemi TPV) (1-5 kw) utilizzo di calore di scarto da processi industriali (10-100 kw)

Royal Institute of Technology (Sweden) [finanziato dalla Eriksson] Stufa a legna per case isolate nel Nord della Svezia Base del camino T = 300-500 C Piano in ghisa T = 150-300 C Gas di scarico T = 140-200 C P el = 4 W e

Il costo annuo di produzione costi fissi CAP = C F + C V costi variabili investimento, CI smantellamento/valore residuo, CD altri costi, CA (service, assicurazioni, affitti, personale,.) combustibile, F manutenzione, OM altre materie prime (acqua demi, NH3, calce, ), MP tasse su emissioni, TE..

Il costo specifico di produzione Dati economici ed energetici Costo dell investimento = 900 /kw Vita impianto = 15 anni Tasso interesse = 5% rendimento elettrico annuo = 36% rendimento termico annuo = 40% Costo del gas = 30 /MWh gas Costo manutenzione = 10 /MWhe [ /MWhe] 350 300 250 200 150 100 COSTI DI PRODUZIONE totale gas e manutenzione Costo di produzione in funzione delle ore annue di utilizzo 50 0 investimento 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 ore/anno

I ricavi dalla produzione dell energia energia elettrica Costo Evitato in caso di autoconsumo Risparmio per Recupero Termico CE RIC = + RRT + PB INC Prezzo di Borsa in caso di vendita Incentivi (solo defiscalizzazione gas)

I ricavi (autoconsumo o vendita) in funzione delle ore di funzionamento [ /MWhe] 300 250 200 150 RICAVO DA VENDITA ENERGIA autoconsumo RICAVI TOTALI vendita CE 100 50 INC PB RRT 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 ore/anno

Conviene l investimento? l nel caso autoconsumo: convenienza oltre le 1000 ore/anno [ /MWhe] 300 250 COSTI RICAVI autoconsumo nel caso di vendita: convenienza oltre le 2500 ore/anno 200 RICAVI vendita 150 100 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Riscaldamento 12 ore/giorno per 6 mesi ore/anno

Trigenerazione: : la necessità 350 [kw] 300 250 200 150 Domanda termica Domanda frigorifera 100 50 Domanda elettrica 0 gen feb mar apr mag giu mesi lug ago sett ott nov dic

Trigenerazione: : la variabilità del carico 160 160 140 120 Pe [kw] Pt [kw] Pf [kw] 140 120 Pe [kw] Pt [kw] Pf [kw] 100 100 carico [kw] 80 60 carico [kw] 80 60 40 40 20 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ore/giorno 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ore/giorno utenza nel civile nelle 24h 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 richiesta elettrica richiesta termica utenza nel terziario nelle 24h 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 hours

Trigenerazione: : gli impianti con compressore fluido caldo fluido freddo con assorbitore fluido freddo

Trigenerazione: : i macchinari

DISTRIBUZIONE EN. TERMICA DISTRIBUZIONE EN. FRIGORIFERA DISTRIBUZIONE EN. ELETTRICA GRUPPO FRIGORIFERO AD ASSORBIMENTO PANNELLI SOLARI SISTEMA ACCUMULO TERMICO CENTRALE micro- COGENERATIVA

Trigenerazione: : gli usi

Aspetti critici per valutare la convenienza dell investimento Tipo di utenza termica (civile o industriale) Stima dei consumi energetici (elettricità, calore e freddo) e del loro andamento nel tempo Taglia, tipologia e modalità di gestione dell impianto cogenerativo Condizioni economiche (costi/ricavi, regime di tassazione applicato, tariffe di acquisto energia, incentivi, ecc.) Eventuale disponibilità di fonti energetiche rinnovabili o eventuali sinergie con altre realtà aziendali

CONTATTI pier.ruggero.spina@unife.it 0532 974965