La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) Dott. Ing. Massimo Rivarolo massimo.rivarolo@unige.it Scuola Politecnica Università di Genova DIME Sez. Maset
Contenuti Tipologie di impianti cogenerativi Evoluzione della cogenerazione in Italia La Direttiva Europea 2004/8/CE e la definizione di CAR I vantaggi della qualifica CAR e i Certificati Bianchi
Definizione di cogenerazione La cogenerazione è un processo in cui, in un medesimo impianto, si realizza la produzione di energia elettrica e termica ed entrambi i tipi di energia sono considerati prodotti utili; La cogenerazione consente di limitare i consumi energetici e consente un uso più razionale dell energia primaria, rispetto alla produzione separata. Risparmio (85 56) 100 141 29% Dott. Ing. M. Rivarolo
Impianti per la cogenerazione - In funzione delle diverse tipologie impiantistiche e della taglia, si hanno a disposizione diverse soluzioni, in funzione anche della tipologia di carico Elettrico e termico. - Il rapporto tra elettricità e calore è fondamentale nella scelta.
Impianti per la cogenerazione
Micro - cogenerazione
Cogenerazione nel 2003 Combustibili impiegati Natural gas 52,9 Off-gas 31,6 Fuel oil 15,5 Petroleum coke 1,9 Diesel oil 1,4 Coal 1,4 0 10 20 30 40 50 60 Primary energy (TWh)
Cogenerazione nel 2003 Potenza installata: 6,4 GW 8% della potenza TOTALE installata in Italia. 11% della potenza TERMOELETTRICA installata in Italia. Energia elettrica prodotta: 35.000 GWh 13% dell energia elettrica TOTALE prodotta in Italia. 15% dell energia TERMOELETTRICA prodotta in Italia. Dott. Ing. M. Rivarolo
Cogenerazione nel 2008 Combustibili impiegati
Cogenerazione nel 2008 Potenza installata: 9,8 GW Tipologia di tecnologia
Cogenerazione nel 2015 Fonte: dati Terna elaborati da AEEGSI
Evoluzione in Italia POTENZA INSTALLATA NEL 2015: 26,6 GW Fonte: Terna, elab. AEEGSI
Cogenerazione nel 2015 ENERGIA EL. PRODOTTA: 95.900 GWh (33,9% del totale nazionale) Fonte: Terna, elab. AEEGSI Dott. Ing. M. Rivarolo
Normativa nel tempo
Evoluzione della cogenerazione con la direttiva 2004/8/CE recepita dall Italia ed in vigore dal 2011
Riconoscimento CAR CHP 1 HCHP E CHP Ref F H Ref E PES min
Definizione di calore utile Il calore utile (HCHP) è calore prodotto da unità CHP e fornito a una rete di distribuzione o a un processo che lo utilizza. È calore che altrimenti sarebbe fornito da altre fonti.
Rendimento elettrico di riferimento Ref E es p Il rendimento elettrico di riferimento ηes viene calcolato considerando il PCI del combustibile in condizioni ISO, cioè: Temperatura 15 C Pressione 1.013 bar Umidità relativa 60% I valori di ηes dipendono anche dall anno di costruzione.
Perdite di rete: il fattore p Poiché gli impianti CHP devono produrre calore utile, essi sono generalmente situati nei pressi degli utenti di calore. Non è detto che sia la stessa cosa per quanto riguarda gli utenti di energia elettrica. In generale, ridurre il trasporto di energia elettrica, favorendo il consumo presso il sito di produzione (autoconsumo), permette di ridurre le perdite di rete. Tale riduzione delle perdite dipende dal livello di tensione con cui l impianto CHP è connesso alla rete elettrica. La direttiva prevede quindi benefici per la parte di energia elettrica consumata in sito.
Schema di principio calcolo CAR Dott. Ing. M. Rivarolo
Schema di principio calcolo CAR Dott. Ing. M. Rivarolo
Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR)
Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR)
Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR)
Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) AUSILIARI: La quantità di energia elettrica prodotta in cogenerazione è misurata ai morsetti del generatore. Da tale quantità non deve essere sottratta l energia elettrica usata internamente dalla unità di cogenerazione per il proprio funzionamento. (D.Lgs 04/08/2011, Allegato II, Fase 5) Dott. Ing. M. Rivarolo
Calcolo del rendimento globale complessivo Ee Et Ec Se il rendimento globale non raggiunge la soglia indicata in tabella, l impianto deve essere diviso in una sezione cogenerativa ed una sezione NON cogenerativa. Il PES ed i benefici relativi vengono calcolati SOLO sulla parte cogenerativa! Dott. Ing. M. Rivarolo
Calcolo del rendimento globale Dott. Ing. M. Rivarolo
Il coefficiente β Il coefficiente β rappresenta la mancata produzione di energia elettrica per unità di energia termica estratta da una turbina a vapore. Si calcola solo quindi nel caso di impianti cogenerativi che includono una turbina a vapore a condensazione per estrazione del vapore. Ha valori di riferimento tabulati, ma dipende dalle condizioni di esercizio dell impianto.
Calcolo del PES STEP 1 si calcola il rendimento elettrico, escludendo la parte CHP: EL, nochp E H F β è un coefficiente che rappresenta la mancata produzione elettrica dovuta a estrazione di vapore nelle turbine a vapore (se presenti nell impianto) per scopi cogenerativi. Se non ci sono turbine a vapore, ovviamente β=0. CHP STEP 2 Si calcola l indice elettrico: C EL, nochp overall overall EL, nochp E C CHP H CHP
Calcolo del PES STEP 3 Avendo calcolato l indice elettrico (rapporto tra energia elettrica CHP e calore utile), si divide l impianto in parti CHP e non-chp E C CHP H CHP E nochp E E CHP F nochp E nochp EL, nochp F CHP F nochp STEP 4 Ora si può calcolare il PES, considerando solo la parte CHP F Dott. Ing. M. Rivarolo
6) agevolazioni fiscali sull accisa del gas metano utilizzato per la cogenerazione (DL 26 ottobre 1995, n. 504 aggiornato dal DL 2 febbraio 2007, n. 26) Dott. Ing. M. Rivarolo Benefici CAR 1) Riconoscimento dei titoli di efficienza energetica (TEE) o certificati bianchi (CB), correlati al risparmio di energia primaria. I criteri applicativi sono definiti nel DM del 5 settembre 2011. 2) Precedenza nel dispacciamento dell energia elettrica in rete rispetto a quella prodotta da impianti convenzionali (art. 11, comma 4 del DL del 16 marzo 1999, n.79) 3) Possibilità di accedere al servizio di scambio sul posto dell'energia elettrica prodotta da impianti di CAR con potenza nominale fino a 200 kw (deliberazione dell Autorità del 3 giugno 2008 ARG/elt 74/08) 4) Semplificazioni in materia di connessioni (Deliberazione dell Autorità del 24 luglio 2008 - ARG/elt 99/08) 5) Esenzione del pagamento degli oneri generali di sistema (SEU/SEESEU)
Calcolo dei Certificati Bianchi Il numero di CB riconosciuti è legato al risparmio energetico conseguito:
Calcolo dei Certificati Bianchi NOTA: per il calcolo di K non ci si basa sulla potenza installata, bensì sulla potenza media nelle fasi di produzione, ponderata sulle ore di utilizzo.
Esempio per il calcolo di K Si consideri un impianto con i seguenti dati: - Produzione di energia pari a 100.000 MWh/anno - Produzione di energia CAR pari a 80.000 MWh/anno - Ore lavorative pari a 5.000 h/anno La potenza media dell impianto è pari quindi a 80.000/5.000 = 16 MW Si passa quindi a determinare K come segue: K 1,4 11,3 (10 1) 1,2 (16 10) 16 1,269 Dott. Ing. M. Rivarolo
Quanto vale un CB? I Certificati Bianchi (CB) possono essere ritirati dal GSE al prezzo, costante, riconosciuto ai gestori di rete soggetti all obbligo valevole per l anno di entrata in esercizio dell impianto. In alternativa, il loro valore può essere negoziato. I valori, nel caso di ritiro da parte del GSE, per gli ultimi anni sono stati pari a: 93,68 /TEE (2011) 86,98 /TEE (2012) 110,27 /TEE (2013) 105,83 /TEE (2014) 114,83 /TEE (2015) Tuttavia, al fine di ottenere ricavi più alti, la maggior parte dei produttori ha scelto Di negoziare i valori dei CB (o TEE).
Cogenerazione ad Alto Rendimento (2011) Energia elettrica prodotta: 17,9 TWh Fonte: AEEGSI GWh 45.000 40.000 35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 Produzione di energia classificabile come cogenerativa (2004/8/CE) dalle diverse tecnologie impiantistiche (anno 2011) 1,07 Produzione lorda totale di energia elettrica Energia elettrica qualificabile come cogenerativa Produzione di energia termica utile Indice elettrico medio 0,62 0,39 0,27 0,71 0 Motori a combustione interna Turbine a gas Turbine a vapore in contropressione Turbine a vapore a cond. e spillamento Cicli combinati
GWh Dott. Ing. M. Rivarolo Cogenerazione ad Alto Rendimento (2014) Energia elettrica prodotta: 21,2 TWh 40.000 35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 Produzione di energia classificabile come cogenerativa (2004/8/CE) dalle diverse tecnologie impiantistiche (anno 2013) 1,07 0,60 Produzione lorda totale di energia elettrica Energia elettrica qualificabile come cogenerativa Produzione di energia termica utile Indice elettrico medio Fonte: AEEGSI 0,98 10.000 0,34 0,35 5.000 0 Motori a combustione interna Turbine a gas Turbine a vapore in contropressione Turbine a vapore a cond. e spillamento Cicli combinati
GWh Dott. Ing. M. Rivarolo Cogenerazione (2014) Energia elettrica prodotta: 91,3 TWh 80.000 70.000 60.000 Produzione combinata di energia elettrica e calore dalle diverse tecnologie impiantistiche in Italia (anno 2013) Produzione lorda totale di energia elettrica Produzione di energia termica utile Fonte: AEEGSI 2,44 50.000 40.000 30.000 1,35 Indice elettrico medio 20.000 0,64 10.000 0,31 0,40 0 Motori a combustione interna Turbine a gas Turbine a vapore in contropressione Turbine a vapore a cond. e spillamento Cicli combinati
Esempio applicativo di calcolo Per un impianto cogenerativo ad alto rendimento
Dati dell impianto Si considera un impianto a ciclo combinato cogenerativo installato nel Nord Italia, avente i seguenti dati: Potenza elettrica nominale 80 MW Potenza termica nominale 80 MW Produzione elettrica EE = 333 GWh/anno Produzione termica ET = 116 GWh/anno Rendimento elettrico 50,7 % Facendo riferimento alle tabelle della Direttiva 2004/8/CE si ricava: Rendimento elettrico di riferimento 52,5 % (impianto a GN)
Calcolo del rendimento globale Il calcolo dell energia immessa sotto forma di combustibile è: 333 Ec 656,8GWh / anno 0,507 Il rendimento globale dell impianto risulta: globale E E E E C T 333 116 656,8 0,68 Essendo tale rendimento minore di 0,80 previsto per impianti di questo tipo, Bisogna procedere a una suddivisione dell impianto in sezione cogenerativa e Non cogenerativa. I bonus per la CAR saranno applicati SOLO alla parte cogenerativa.
Calcolo della parte cogenerativa Calcolo del coefficiente Ceff (indice elettrico effettivo), definito come: Dove β è un coefficiente che rappresenta la mancata produzione di energia elettrica per unità di energia termica estratta. Ha valori di riferimento tabulati, ma dipende dalle condizioni di esercizio dell impianto. Nel caso in analisi l indice elettrico effettivo si calcola come segue: E E 333 0,217116 656,8 E T nonchp, E EC 0,545 C eff 0,545 0,2170,80 0,80 0,545 1,456
Calcolo della parte cogenerativa A questo punto, avendo calcolato l indice elettrico, è possibile dividere la parte cogenerativa da quella non cogenerativa: E CHP 1,456 116 169GWh E NONCHP 333 169 164GWh 164 C 301GWh 0,545 E NONCHP E C 656,8 301 355, 8GWh A questo punto posso calcolare il PES; solo sulla parte cogenerativa, e calcolare il numero di Certificati Bianchi, sempre sulla parte cogenerativa.
Calcolo del PES e dei CB Il PES viene calcolato solo sulla parte cogenerativa dell impianto: 355,8 PES 1 0,25 116 169 0,90 0,525 A questo punto posso calcolare RISP e il numero di certificati bianchi: CB RISP 0, 086 k RISP 321,9 128,9 355,8 95GWh 95000MWh CB 950000,0861,2 9800 Considerando il prezzo di ritiro del 2014, si ottiene un guadagno pari a: CB 98000105,83 1,04M
La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) Dott. Ing. Massimo Rivarolo massimo.rivarolo@unige.it Scuola Politecnica Università di Genova DIME Sez. Maset