FIRECERTIFICATI BIANCHI : RISULTATI E PROPOSTE DI MIGLIORAMENTO

RIMINI 4 NOVEMBRE 2010

PROPOSTA DI METODO DI CALCOLO DEI TITOLI DI

EFFICIENZA ENERGETICA A CONSUNTIVO PER LA

COGENERAZIONE AD ALTO RENDIMENTO

Giovanni Vergerio - ENERGY MANAGER

giovanniruggero.vergerio@gmail.it

� Cogenerazione ad alto rendimento – Utilizzo del PES comeprocedura di calcolo dei TEE

� Metodo di calcolo dei TEE utilizzato in un caso reale diimpianto di cogenerazione misto contropressione –condensazione.

� Proposta di un metodo generale applicabile a tutti gliimpianti CAR

Indice

2

impianti CAR

� Analisi di confronto su casi industriali CAR reali di grandetaglia

� Applicazione del metodo proposto ad un impianto diteleriscaldamento con produzione combinata di energiatermica destinata a teleriscaldamento e teleraffrescamento.

� Conclusioni

Cogenerazione ad alto rendimento – Utilizzo del PES come procedura di calcolo dei TEE -1

Il PES è definito come “ Primary energy saving – Risparmio di energiaprimaria “ della cogenerazione ad alto rendimento e quindi come tale èimmediatamente applicabile ad un calcolo di energy savingNoti gli elementi utili per il calcolo del PES ( efficienze di riferimentoelettriche e termiche, fattori di correzione per le perdite di rete ) il calcolodel risparmio energetico è dato da :

Energy Saving = Combustibile Cogenerazione *PES/(1-PES)

Nella direttiva europea il PES è calcolato con la formula :

3

Dove :

• CHP Hη = Efficienza termica della cogenerazione = Et/Combustibile Cog.• Ref Hη = Efficienza di riferimento per la produzione termica separata• CHP Eη = Efficienza elettrica della cogenerazione = Ee/Combustibile Cog.• Ref Eη = Efficienza di riferimento per la produzione elettrica separat( Ref Eη tiene conto anche del fattore di correzione per le perdite della rete elettrica)

PES = ( 1 − 1/(������ ��η������ ��η + ��������η

������ ��η))*100

Cogenerazione ad alto rendimento – Utilizzo del PEScome procedura di calcolo dei TEE - 2

Con queste definizioni la formula del PES è del tuttoequivalente a quella del IRE:

Dove Ec = Combustibile Cogenerazione,

Ee=Produzione elettrica, Et = Produzione termica

Questa formulazione ha il vantaggio di essere semplice e di facile applicazione tuttavia presenta alcuni limiti :

������= (1 − ����/( ��������������+ ����

����������)) ∗ 100

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� Non risponde esattamente ai requisiti richiesti per il riconoscimento deititoli di efficienza energetica in quanto parte del risparmio energeticopotrebbe essere ottenuto nella produzione di energia elettrica e quindi nonesclusivamente negli usi finali

� Volendo utilizzare comunque questa formulazione è necessario individuareefficienze di riferimento non generiche ma in linea con le best-practice deiprocessi che si vogliono sostituire negli usi finali

� Nel caso che solo parte della produzione elettrica cogenerata siariconosciuta come cogenerazione ad alto rendimento, il calcolo dovrebbeessere fatto con riferimento a questa quota e il PES così calcolato potrebbenon essere coerente con il risparmio energetico complessivo.

Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione – condensazione applicato ad un caso reale approvato dall’Autorità - 1

Nella figura seguente è rappresentato un ciclo combinato cogenerativo dove vengono prodotte due distinte correnti termiche destinate al processo.Una parte del vapore prodotto dalla caldaia a recupero è inviato al condensatore attraverso la turbina.

EC

EE1

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EE2

ET2

ET1

Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione – condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall’Autorità - 2

Per il caso rappresentato in figura è stata sviluppata una metodologia dicalcolo che consente di valutare il risparmio energetico ottenuto rispetto allasola produzione termica

Risparmio Energetico = Consumo di combustibile relativo alla produzione termica nella produzione separata – Consumo di Combustibile relativo alla produzione termica nella

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Combustibile relativo alla produzione termica nella produzione combinata

Il consumo di combustibile della produzione separata è dato da :

Consumo di combustibile = Energia termica utile /ηrifT = ET/ ηrifT

ηrifT = rendimento della migliore tecnologia applicabile nella produzione separata relativa al processo termico sostituito

Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione – condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall’Autorità - 3

Il consumo di combustibile relativo alla sola produzione termica nella produzione cogenerativa per il processo di produzione riportato nella figura precedente può essere valutato in base alle seguenti considerazioni:

� Il vapore inviato al processo come produzione termica potrebbe in alternativa essere inviato al condensatore per produrre una ulteriore quantità di energia elettrica

� La presenza di una produzione termica determina una diminuzione della produzione elettrica : la quota di minore produzione elettrica è proporzionale

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produzione elettrica : la quota di minore produzione elettrica è proporzionale alla quantità di energia termica prodotta e dipende dalle sue caratteristiche ( pressione e temperatura del vapore inviato al processo ) ed è quindi possibile introdurre un parametro caratteristico β così definito :

β = Delta produzione elettrica/Delta produzione termica

� La mancata produzione elettrica può essere sostituita con produzione a sola condensazione con un consumo di combustibile pari a :

Ec = Delta produzione elettrica/ηcond = β*ET/ ηcond

Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione – condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall’Autorità - 4

Il risparmio energetico per la produzione destinata agli usi finali termici può essere quindi calcolato con la formula :

Oppure :

����= (����1�1 + ����2

η��2 − ����1 ∗ β1η��������− ����2 ∗ β2

�������)

8

Oppure :

Dove :

� ET1 ed ET2 rappresentano le quantità di energia termica inviate ai 2 livelli termici T1e T2

� ηT1 e ηT2 rappresentano i rendimenti “ best-practice “ dei processi di produzione termica sostituiti

� β1 e β2 rappresentano la perdita di produzione elettrica per unità di produzione termica

����= ����1 ∗ � 1η��1 − β1

η��������� + ����2 ∗ � 1η��2 − β2

��������

Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione – condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall’Autorità -5

I parametri β e ηCond sono caratteristici del processo di cogenerazione e delprocesso in assetto esclusivamente elettrico. Sono stati valutati con precisione inoccasione del “ performance test “ dell’impianto.

Il parametro ηT è stato valutato con riferimento alle caratteristiche del migliorprocesso di sola produzione termica sostituito anche in relazione al mix dicombustibili utilizzato

Nella tabella seguente sono riportati i parametri caratteristici e le quantità

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Nella tabella seguente sono riportati i parametri caratteristici e le quantitàenergetiche relative ad un anno di funzionamento

�

Parametri caratteristici β1 β2 ηCond η T1 η T2

GWH/GWH GWH/GWH % % %

0,31540 0,22424 56,78% 90,48% 90,48%

Quantità energetiche EC EE ET1 ET2

GWH GWH GWH GWH

3633,7 1857,5 268,5 252,3

CALCOLO TEE - IMPIANTO DI COGENERAZIONE CC MISTO ESTRAZIONE-CONDENSAZIONE

Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione – condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall’Autorità - 6

Il calcolo del PES con riferimento al parametro Ref Eη della direttiva Europea per in gas naturale nella produzione elettrica e ad ηT di tabella per la produzione termica dà la seguente formula :

Si ottiene :

������= (1 − ��������

0,525 + ����1 + ����20,9048

∗ 100

������= 11,67

10

Il risparmio energetico valutato attraverso il PES è dato da:

������������ ������������= ����∗ ������100 − ������

������= 11,67

������������ ������������= 41273 ������

Metodo di calcolo dei TEE per gli impianti di cogenerazione misti contropressione – condensazione applicato ad un caso reale ed approvato dall’Autorità - 7

Il calcolo del risparmio energetico relativo alla sola produzione termica partendo dai dati di tabella utilizza la seguente formula :

����= (����1 ∗ � 1η��1 − β1

η��������� + ����2 ∗ � 1η��2 − β2

��������

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Si ottiene:

� La differenza rispetto a quanto ottenuto con l’utilizzo del PES è da attribuire alfatto che in questo tipo di calcolo è valorizzato anche il risparmio energeticoottenuto rispetto alla produzione elettrica di riferimento, mentre, con il metodoadottato per il caso reale considerato, il calcolo si riferisce al risparmio relativo allasola produzione termica

� La produzione elettrica è tutta inviata alla rete esterna e non è stata presa inconsiderazione per la valutazione dei titoli di efficienza energetica

����= 28106 ������

Proposta di un metodo generale applicabile a tutti gli impianti CAR

La metodologia presentata può essere generalizzata e resa applicabile a tutti gli impiantiCAR anche non caratterizzati dalla presenza di una sezione di produzione elettrica acondensazione.

Per processo di cogenerazione con 2 livelli termici la formula generale il calcolodell’energy saving relativo alla produzione termica è la seguente :

Dove :

����= ����1 ∗ � 1η��1 − β1����

η����� + ����2 ∗ � 1η��2 − β2����

����

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Dove :

� β1ex=Exergia del livello termico T1/Entalpia del livello termico T1

� ηex= (ET1*β1ex+ ET1*β1ex+EE)/EC (Rendimento exergetico o di 2° princ.)

� Per l’energia termica fornita sotto forma di vapore o acqua surriscaldata laformula di valutazione di β1ex diventa :

� Dove H1 e S1 sono l’entalpia ed entropia del fluido al livello T1, H0,S0 E T0 sonorispettivamente l’entalpia , l’entropia e la temperatura assoluta del livello diriferimento che normalmente è l’ambiente a 15 ° C ( 288,15 K)

��1����= ((��1 − ��0) − ����∗ (��1 − ��0))/(��1 − ��0)

Proposta di un metodo generale applicabile a tutti gli impianti CAR

Nel caso generale deve essere considerata anche l’energia elettrica cogenerata in quantosi può produrre risparmio negli usi finali se è questa destinata ad autoconsumo all’internodel sito produttivo. Anche l’effetto energetico della produzione inviata alla rete nazionaledeve essere valutato.

E’ necessario quindi tenere in considerazione altri due fattori :

� L’ Energia Elettrica destinata al consumo interno che produce un saving energeticopari a : ����1 = ��������������∗ ( 1

��������������������− 1������)

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� L’ Energia Elettrica in esubero alimentata alla rete elettrica nazionale che produceun effetto energetico pari a :

� I rendimenti di riferimento elettrici interni ed esterni sono diversi per effetto dellediverse perdite di rete da considerare

� Il termine ES2 non deve essere considerato nel calcolo dei titoli se il contributorisulta positivo, nel caso che il contributo sia negativo è opportuno che questodetermini un effetto di riduzione del numero dei titoli di efficienza energeticaprodotti.

����2 = ������������∗ ( 1������������������− 1

������)

Proposta di un metodo generale applicabile a tutti gli impianti CAR

La formulazione finale risulta quindi la seguente :

Dove ESEErete è pari a :

����= (����1 ∗ � 1η��1 − β1����

η����� + ����2 ∗ � 1η��2 − β2����

���� + ������������

∗ � 1��������������������− 1

η����� − ����������������

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0 se :������������∗ ( 1������������������ − 1

������)>0

����������∗ � 1������������������− 1

η����� ���� ������������∗ � 1������������������− 1

η����� ≤ 0

Analisi di confronto su casi industriali CAR reali di grande taglia

Nelle tabelle seguenti sono riportati i dati caratteristici di tre alternative impiantistiche chesaranno utilizzati per il calcolo dei titoli di efficienza energetica secondo la metodologiaproposta :

CASO1 PES= 13,51%

Parametri caratteristici β1ex β2ex β3ex ηex R 1° DirEu η T1 η T2 η T3

GWH/GWH GWH/GWH GWH/GWH % % % % %

0,37946 0,35585 0,30809 49,27% 80,13% 90,48% 90,48% 90,48%

Quantità energetiche EC EE netta EE lorda EEautoc EE rete ET1 ET2 ET3

GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH

4862,6 1679,6 1738,4 876,0 803,6 379,2 512,9 1265,8

DATI CARATTERISTICI PER IL CALCOLO DI TITOLI DI EFFICIENZA ENERGETICA NEGLI IMPIANTI CAR

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4862,6 1679,6 1738,4 876,0 803,6 379,2 512,9 1265,8

CASO2 PES= 20,34%

Parametri caratteristici β1ex β2ex β3ex ηex R 1° DirEu η T1 η T2 η T3

GWH/GWH GWH/GWH GWH/GWH % % % % %

0,37946 0,35585 0,30809 53,17% 87,49% 90,48% 90,48% 90,48%

Quantità energetiche EC EE netta EE lorda EEautoc EE rete ET1 ET2 ET3

GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH

4364,1 1604,0 1660,1 876,0 728,0 379,2 512,9 1265,8

CASO3 PES= 23,21%

Parametri caratteristici β1ex β2ex β3ex ηex R 1° DirEu η T1 η T2 η T3

GWH/GWH GWH/GWH GWH/GWH % % % % %

0,37946 0,35585 0,30809 55,20% 90,70% 90,48% 90,48% 90,48%

Quantità energetiche EC EE netta EE lorda EEautoc EE rete ET1 ET2 ET3

GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH

4219,4 1612,8 1669,2 876,0 736,8 379,2 512,9 1265,8

Analisi di confronto su casi industriali CAR reali di grande taglia

I tre casi confrontati superano il valore limite del rendimento di 1° principio del 80% e ilvalore di PES del 10% per cui, tutta l’energia elettrica prodotta sarà da CAR

I risultati delle prestazione energetiche calcolati con la metodologia PES e quella propostasono i seguenti :

TEE PES TEE prop. TEE termici TEE EE autoc TEE EE rete

CASO 1 64.242 64.242 80.071 7.210- 8.619-

CASO 2 94.728 93.225 89.233 3.993 1.502

CALCOLO DEI TITOLI DI EFFICIENZA ENERGETICA

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Nel calcolo è stato utilizzato Rriferete=0,525 e Rrifeautoc=0,525*0,985

Come si può notare, nel caso 1 tutti e due i termini elettrici sono negativi e

quindi sono stati sommati in termini algebrici, nei casi 2 e 3 i termini

elettrici sono entrambi positivi e il solo termine di autoconsumo è stato

sommato

CASO 2 94.728 93.225 89.233 3.993 1.502

CASO 3 106.429 100.522 93.498 7.024 5.907

Impianti di teleriscaldamento cogenerativi con produzione di effetto frigorifero

In questo caso i termini di calcolo aumentano per tener conto della presenza di unaproduzione che produce effetti di refrigerativi rispetto ad analoga produzione separata

Si possono presentare due casistiche :

1- La centrale di teleriscaldamento nel periodo estivo produce energia termica che vaad alimentare un impianto frigorifero ad assorbimento

2- La centrale di teleriscaldamento produce una corrente di acqua a bassatemperatura che alimenta le utenze

Nel primo caso il calcolo del rendimento di 2° principio rimane inalterato e deve

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Nel primo caso il calcolo del rendimento di 2° principio rimane inalterato e deveessere considerato un ulteriore termine di risparmio energetico dato da :

� Dove COP reale è il COP del ciclo di assorbimento alimentato dalla rete diteleriscaldamento

� COP bat è la best reference che in termini di ciclo ad assorbimento si assumeessere quella che utilizza macchine ad assorbimento alimentate a gas naturale

� βex è il β relativo al livello termico del calore del teleriscaldamento

������������= ����∗ (���������������������������� − β����

���)

Impianti di teleriscaldamento cogenerativi con produzione di effetto frigorifero

Nel secondo caso è necessario introdurre una nuova corrente utile per il calcolo delrendimento di 2° principio il cui contenuto exergetico viene valutato con le formulesopra proposte nelle quali sono considerate :

- Le temperature del fluido freddo inviato e del fluido di ritorno

- Come riferimento la temperatura media del periodo in cui viene

prodotto l’effetto frigorifero.

� Il termine relativo all’effetto frigorifero diventa :

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Dove :

� ET frig sono le frigorie cedute all’utenza

� Rrifebt è il rendimento medio della produzione elettrica nazionale

riferito alla rete bt

� COPbatc è il COP della best practice con ciclo a compressione

� βex è il rapporto fra il contenuto exergetico e quello entalpico del

fluido frigorifero.

������������= ������������∗ ( ����������������������������− β������������

��� )

Impianti di teleriscaldamento cogenerativi con produzione di effetto frigorifero

Nelle successiva tabella sono riportati i parametri caratteristici di due soluzioniimpiantistiche per un impianto di teleriscaldamento che prevede anche lafornitura di calore estivo ad utenza dotata di impianti di produzionefrigorifera con ciclo ad assorbimento.

CASO 1

Parametri caratteristici β1ex ηex R 1° DirEu η Teler COPreale COPbat

GWH/GWH % % %

TELERISCALDAMENTO - DATI CARATTERISTICI PER IL CALCOLO TEE

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GWH/GWH % % %

0,23731 47,87% 86,13% 91,00% 0,600 1,10

Quantità energetiche EC EE netta EE lorda EEautoc EE rete ET Telerisc ET Teleraf

GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH

570,0 207,3 214,5 120,0 87,3 231,4 45

CASO2

Parametri caratteristici β1ex ηex R 1° DirEu η Teler COPreale COPbat

GWH/GWH % % %

0,23731 52,76% 83,23% 91,00% 0,600 1,10

Quantità energetiche EC EE netta EE lorda EEautoc EE rete ET Telerisc ET Teleraf

GWH GWH GWH GWH GWH GWH GWH

728,5 318,8 330,0 120,0 198,8 231,4 45

Impianti di teleriscaldamento cogenerativi con produzione di effetto frigorifero

La tabella successiva riporta il calcolo dei titoli di efficienza energeticaeffettuato secondo la metodologia proposta e suddivisi per contributo delledifferenti produzioni utili:

TEE PES TEE prop. TEE termici TEE ass-frig TEE EE autoc TEE EE rete

CASO 1 9.843 9.843 12.003 192 1.188- 1.165-

CASO 2 14.760 14.101 12.919 370,4 812 659

CALCOLO DEI TITOLI DI EFFICIENZA ENERGETICA TELERISCALDAMENTO

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Come si vede, nel caso 2 che ha una efficienza di produzione elettricasuperiore a quella di riferimento, il contributo relativo alla quota di energiaelettrica immessa in rete non viene considerato.

CASO 2 14.760 14.101 12.919 370,4 812 659

CONCLUSIONI

La cogenerazione ad alto rendimento è una tecnologia caratterizzata da unelevato risparmio energetico rispetto alla produzione separata ed è quindiessenziale che questo risparmio venga correttamente valutato ed incentivatoattraverso il meccanismo dei titoli di efficienza energetica

La metodologia proposta consente una valutazione accurata degli effettienergetici di un processo nel quale vengono prodotte congiuntamentecorrenti che si differenziano per il contenuto energetico e per la tipologia diprocesso separato sostituito

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processo separato sostituito

Questa metodologia permette, inoltre, di individuare e separare l’effetto dimiglioramento dell’efficienza del sistema produttivo elettrico da quello diincremento dell’efficienza negli usi finali

Nel calcolo vengono valutati gli effetti energetici di ogni singola correntecogenerata e le correnti di energia termica vengono differenziate in relazioneal contenuto exergetico. Ciò consente di attribuire correttamente i titoli diefficienza prodotti ad ogni singola corrente e quindi di valorizzare in modoequo l’effetto energetico anche in termini commerciali