Post on 15-Feb-2019
Thermochemical Power Group
DIME – University of Genoa (Italy)
tpg.unige.it
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
Dott. Ing. M. Rivarolo
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.
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.
Dott. Ing. M. Rivarolo
Evoluzione in Italia
POTENZA INSTALLATA NEL 2017: 26,2 GW Fonte: Terna, elab. ARERA
Dott. Ing. M. Rivarolo
01.0002.0003.0004.0005.0006.0007.0008.0009.000
10.00011.00012.00013.00014.00015.00016.00017.00018.00019.00020.00021.00022.00023.00024.00025.00026.00027.000
1991 1993 1995 1997 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
MW
Impianti di produzione combinata di energia elettrica e termica: evoluzione della potenza installata dal 1991 a oggi
Vapore a cond. e spillamento Vapore a contropressione
Motori a combustione interna Turbine a gas con recupero
Cicli combinati
Cogenerazione nel 2017
Fonte: dati Terna elaborati da ARERA
Dott. Ing. M. Rivarolo
54,3%
78,8%
0,1%
2,2%
32,9%
0,1%
1,9%
2,0%
10,8%16,9%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Impianti con sola produzione di energia elettrica Impianti con produzione combinata di energia elettricae calore
Incidenza percentuale dei combustibili utilizzati per la generazione termoelettrica in Italia nel 2017
Altri combustibili
Prodotti petroliferi
Solidi
Gas derivati
Gas naturale
Totale: 98,70 TWh Totale: 110,13 TWh
Cogenerazione nel 2017
ENERGIA EL. PRODOTTA: 117,1 TWh (37,2% del totale nazionale)
Fonte: Terna, elab. ARERA
Dott. Ing. M. Rivarolo
72,2%
3,9%
12,9%
2,7%
8,3%
74,1%
4,5%
14,8%
1,3%5,3%
3,0% 4,1%
89,0%
1,8% 2,1%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
55%
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
Cicli combinati Turbine a gas conrecupero
Motori acombustione interna
Vapore acontropressione
Vapore a cond. espillamento
Potenza efficiente lorda
Produzione lorda di energia elettrica
Numero di sezioni
Tipologie di impianti di produzione combinata di energia elettrica e calore in Italia nel 2017
Dott. Ing. M. Rivarolo
La Direttiva Efficienza Energetica (Direttiva 2012/27/EU), recepita in Italia
con il d.lgs. 102/14, ha abrogato la Direttiva 2004/8/CE, che aveva
introdotto per la prima volta la Cogenerazione ad Alto Rendimento,
mantenendone comunque inalterati i principi.
Il Regolamento Delegato UE 2015/2402 ha aggiornato i valori di
rendimento di riferimento in applicazione della Direttiva 2012/27/EU, a
decorrere dall’1 gennaio 2016.
Normativa nel tempo (2)
La direttiva 2004/8/CE (abrogata dalla direttiva 2012/27/UE)
e la Cogenerazione ad Alto Rendimento
Dott. Ing. M. Rivarolo
La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) si basa sul concetto di Primary
Energy Saving (PES).
Un impianto CAR garantisce un valore minimo del PES, cioè garantisce un
risparmio energetico in termine di energia primaria (e quindi di combustibile),
rispetto a due impianti di produzione separata di energia elettrica e calore.
I concetti di efficienza energetica e risparmio energetico sono tra I punti di
maggiore rilievo verso il raggiungimento degli obiettivi europei al 2020 e al 2030.
Concetto di CAR
Dott. Ing. M. Rivarolo
Politiche ambientali europee (1)
A inizio marzo 2007, si è prefissato di raggiungere entro il 2020:
a) la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra di almeno il 20%
rispetto al 1990 (obiettivo vincolante);
b) una quota del 20% di energie rinnovabili sul totale dei consumi
energetici lordi dell’Unione europea (obiettivo vincolante), con un
contributo minimo del 10% di biocarburanti al consumo di combustibili per
autotrazione in ciascuno dei Paesi membri. Tale obiettivo comunitario è
distinto in obiettivi vincolanti nazionali;
c) risparmio dei consumi energetici dell’Unione europea del 20% rispetto
alle proiezioni, contenute nel Libro verde sull’efficienza energetica della
Commissione europea. Questo obiettivo non è vincolante.
A seguito di tali decisioni è stato implementato il pacchetto clima-energia europeo,
approvato il 18 dicembre 2008.
Dott. Ing. M. Rivarolo
Direttive europee
Direttiva Fonti Energetiche Rinnovabili (Direttiva 2009/28/CE), recepita in
Italia con il d.lgs. 28/11
Direttiva Emission Trading (Direttiva 2009/29/CE), di modifica della pre-
esistente Direttiva 2003/87/CE, recepita in Italia con il d.lgs. 30/13
Direttiva sulla qualità dei carburanti (Direttiva 2009/30/CE)
Direttiva Carbon Capture and Storage - CCS (Direttiva 2009/31/CE)
Decisione Effort Sharing (Decisione 2009/406/CE)
Regolamento CO2 Auto (Regolamento 2009/443/CE)
Direttiva Efficienza Energetica (Direttiva 2012/27/EU), recepita in Italia
con il d.lgs. 102/14
Dott. Ing. M. Rivarolo
Politiche ambientali europee (2)
Il 23-24 ottobre 2014, si è prefissato di raggiungere entro il 2030:
a) la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra di almeno il 40%
rispetto al 1990 (obiettivo vincolante);
b) una quota del 27% di energie rinnovabili sul totale dei consumi
energetici lordi dell’Unione europea (obiettivo vincolante). Tale obiettivo
comunitario non sarà più distinto in tanti obiettivi vincolanti nazionali;
c) risparmio dei consumi energetici dell’Unione europea del 27% rispetto
alle proiezioni del futuro consumo di energia sulla base dei criteri attuali
(obiettivo indicativo, da rivedere nel 2020 e forse da innalzare al 30%).
Questi obiettivi dovrebbero essere raggiunti senza definire strumenti nuovi e
aggiuntivi rispetto a quelli attuali.
Dott. Ing. M. Rivarolo
Dott. Ing. M. Rivarolo
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.
Definizione di calore utile
Rendimento elettrico di riferimento
Dott. Ing. M. Rivarolo
Il rendimento elettrico di riferimento ηes viene calcolato considerando il PCI
del combustibile in condizioni ISO (T 15 °C, p 1.013 bar, umidità rel. 60%).
I valori dipendono anche dall’anno di costruzione dell’impianto.
p esE Ref
Perdite di rete: il fattore p
Dott. Ing. M. Rivarolo
Poiché gli impianti CHP devono produrre calore utile, essi sono generalmente
situati nei pressi degli utenti di calore. In generale, ridurre il trasporto di energia
elettrica, favorendo il consumo presso il sito di produzione, 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.
Dott. Ing. M. Rivarolo
I valori di riferimento per il rendimento termico dipendono dal combustibile.
Inoltre, essi sono influenzati dalla presenza o meno di un fluido per il ritorno del
calore residuo (acqua/vapore) dopo aver soddisfatto la domanda termica: in
caso di uso diretto dei gas di scarico non si ha fluido di ritorno, pertanto il
rendimento termico assume valori inferiori.
Rendimento termico di riferimento
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
Confini di impianto
Calcolo del rendimento globale
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
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.
Dott. Ing. M. Rivarolo
Calcolo del PES
STEP 1
si calcola il rendimento elettrico, escludendo la parte CHP:
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.
STEP 2
Si calcola l’indice elettrico:
F
HE CHPnoCHPEL
,
noCHPELoverall
overallnoCHPELC
,
,
CHPCHP HCE
Dott. Ing. M. Rivarolo
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
STEP 4
Ora si può calcolare il PES, considerando solo la parte CHP
Dott. Ing. M. Rivarolo
CHPEEEnoCHP
noCHPEL
noCHPnoCHP
EF
,
noCHPCHP FFF
CHPCHP HCE
Rappresentazione grafica
Dott. Ing. M. Rivarolo
0
0,025
0,05
0,075
0,1
0,125
0,15
0,175
0,2
0,225
0,25
0,275
0,3
0,325
0,35
0,375
0,4
0,425
0,45
0,475
0,5
0,525
0,55
0,575
0,6
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1
Ee
/Ec
Et/Ec
= 80%
IRE = 0,10C = 1,12
D
E
QP
A
Indice elettrico
Limite assoluto
= 100%
IRE
Rappresentazione grafica (2)
Dott. Ing. M. Rivarolo
P: punto di funzionamento dell’unità cogenerativa
Q: punto di massimo recupero termico
A: punto di funzionamento solo elettrico
La zona di possibile funzionamento è limitata da alcune zone:
- Il rendimento elettrico è limitato a 0,6 per motivi tecnologici
- Il rendimento globale di massimo recupero termico è definito, in
questo caso, pari a 0,8 (es.: ciclo combinato).
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)
6) agevolazioni fiscali sull’accisa del gas metano utilizzato per la
cogenerazione (DL 2 febbraio 2007, n. 26)
Dott. Ing. M. Rivarolo
Calcolo dei Certificati Bianchi
Il numero di CB riconosciuti è legato al risparmio energetico conseguito:
Dott. Ing. M. Rivarolo
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.
Dott. Ing. M. Rivarolo
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:
269,1
16
)1016(2,1)110(3,114,1
K
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)
118,37 €/TEE (2016)
Tuttavia, al fine di ottenere ricavi più alti, la maggior parte dei produttori ha scelto
Di negoziare i valori dei CB (o TEE).
Dott. Ing. M. Rivarolo
Esempio applicativo di calcolo Per un impianto cogenerativo ad alto
rendimento
Dott. Ing. M. Rivarolo
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 E = 333 GWh/anno
Produzione termica H = 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)
Dott. Ing. M. Rivarolo
Calcolo del rendimento globale
Il calcolo dell’energia immessa sotto forma di combustibile è:
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.
annoGWhEc /8,656507,0
333
Il rendimento globale dell’impianto risulta:
68,08,656
116333
C
TEglobale
E
EE
Dott. Ing. M. Rivarolo
Calcolo della parte CAR
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:
545,0
8,656
116217,0333,
C
TEEnonCHP
E
EE
456,1545,080,0
80,0217,0545,0
effC
Dott. Ing. M. Rivarolo
Calcolo della parte CAR
A questo punto, avendo calcolato l’indice elettrico, è possibile dividere la parte
cogenerativa da quella non cogenerativa:
GWhECHP 169116456,1
GWhENONCHP 164169333
GWhENONCHPC 301
545,0
164
GWhEC 8,3553018,656
A questo punto posso calcolare il PES; solo sulla parte cogenerativa, e
calcolare il numero di Certificati Bianchi, sempre sulla parte cogenerativa.
Dott. Ing. M. Rivarolo
Calcolo del PES e dei CB
Il PES viene calcolato solo sulla parte cogenerativa dell’impianto:
A questo punto posso calcolare RISP e il numero di certificati bianchi:
MWhGWhRISP 95000958,3559,1289,321
25,0
525,0
169
90,0
116
8,3551
PES
98002,1086,095000 CB
Considerando il prezzo di ritiro del 2014, si ottiene un guadagno pari a:
€04,183,10598000 MCB
kRISPCB 086,0
Dott. Ing. M. Rivarolo
Thermochemical Power Group
DIME – University of Genoa (Italy)
tpg.unige.it
La Cogenerazione ad Alto Rendimento
(CAR)
Dott. Ing. Massimo Rivarolo massimo.rivarolo@unige.it
Scuola Politecnica Università di Genova
DIME – Sez. Maset