La cogenerazione industriale in Italia

Ennio Macchi

Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano

Mantova - 29 ottobre 2014

Cogenerazione ad alto rendimento:

prospettive, applicazioni e vantaggi

per le imprese

Ennio Macchi

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CONTENUTI DELLA PRESENTAZIONE

• Premesse termodinamiche/tecnologiche

• Il quadro attuale (dati Terna 2013) per impianti di grande taglia

• Il quadro attuale della cogenerazione nella generazione distribuita (GD < 10 MVA, dati AEEG 2012)

• Il quadro attuale della cogenerazione di piccola taglia (PG < 1 MWel , dati AEEG 2012)

• Le prospettive della micro-cogenerazione (MG<50 kWel , dati inesistenti)

Ennio Macchi

3 PERCHÉ TANTO ENTUSIASMO PER LA COGENERAZIONE,

IN SEDE EUROPEA E INTERNAZIONALE?

• Perché è imbattibile in termini di risparmio energetico (se ben applicata)

• E’ facile, senza grandi sforzi tecnologici, fare meglio dei migliori impianti per sola generazione di energia elettrica (guadagnare un punto di rendimento con impianti convenzionali è un’impresa ardua, guadagnarne molti con la cogenerazione è facile)

• Perché i risparmi energetici corrispondono a importanti benefici ambientali (locali e planetari)

• Gran parte della cogenerazione è basata sul gas naturale, il combustibile più pulito e utilizza turbine a gas, le macchine dove si realizza la miglior combustione (minori quantità di NOx)

• Anche i motori alternativi a gas hanno fatto progressi formidabili in termini di abbattimento di emissioni

• Perché i risparmi energetici corrispondono a importanti benefici ambientali (locali e planetari)

• Minori emissioni di gas serra

Ennio Macchi

4 Le tecnologie di oggi e di domani (combustibili fossili)

Taglia impianto [kW]

Ren

dim

en

to e

lett

rico

, %

0 1 10 100 1000 104 105 106

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Celle a combustibile

(Cap.5)

MCFC

Mot.

Stirling

(Cap. 3)

Cicli ibridi con FC + turbina a

gas (Cap. 5.6)

TPV

(Cap. 6)

Micro-turbine a gas

(Cap. 4)

Cicli

combinati

USC e

IGCC

TG AD

TV

TG HD

PAFCSOFC

PEM

Motori a c.i (Cap. 3.1)

MICRO MINI

Ennio Macchi

5 GRANDI RISPARMI, SENZA MIRACOLI TECNOLOGICI

!

BASTA UNA MACCHINA CON UN RENDIMENTO DEL 32% PER RISPARMIARE IL 18.3%

SE VOLESSI OTTENERE LO STESSO RISPARMIO CON UN CICLO COMBINATO PER SOLA

GENERAZIONE ELETTRICA, DOVREI AVERE UN RENDIMENTO MEDIO ANNUO > 64%

Ennio Macchi

Cogenerazione (tutte le taglie)

Tecnologia dominante = CC DATI 2012 (da AEEG)

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Ennio Macchi

7 Rapporti energia elettrica e calore

(DATI 2012 (da AEEG)

Tutti più alti del valore ottimale per il risparmio energetico

Tutti più alti del valore ottimale

per il risparmio energetico!

Ennio Macchi

Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia (2013)

con riferimento al gas naturale (dati TERNA, elaborati POLIMI) 8

.

TECNOLOGIA

energia

elettrica lorda

Calore utile eta el eta ter eta tot eta eq

(rif.90%

PES (rif.

52.5% e 90%)

GWh % GWh % % % % % %

cicli combinati 58039 86,2 22531 65,7 46,5 18,0 64,5 58,1 7,9

motori a C.I. 5351 7,9 4478 13,1 38,7 32,4 71,1 60,5 8,9

Vapore a CS 380 0,6 786 2,3 23,9 49,4 73,3 52,9 0,3

Vapore a CP 265 0,4 1676 4,9 11,1 70,5 81,6 51,3 -0,5

turbine a gas 3293 4,9 4831 14,1 27,9 40,9 68,9 51,2 -1,4

Totale 67328 100,0 34302 100,0 43,6 22,2 65,8 57,8 7,1

Totale solo

produzione

e.e. a gas

naturale 41021 0,0 51,4 0,0 51,4 51,4 -2,1

totale cicli

combinati solo

produzione

e.e. a gas

naturale 37113 0 52,3 0,0 52,3 52,3 -0,4

Ennio Macchi

Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia (2013)

• Connotati caratterizzanti:

• Il contributo della cogenerazione a gas naturale alla produzione termoelettrica complessiva è molto significativo (67,3 su 192,23 TWh)

• Si utilizza molto più GN in impianti di cogenerazione che in centrali termoelettriche per sola produzione elettrica

• E’ fortemente sbilanciata (anche se meno del passato) sulla produzione elettrica (67,3 TWhel contro 34,38 TWht)

• La tecnologia dominante è il ciclo combinato (58,0 su 67,3 TWh )

• Seguono (a grande distanza) i MCI e le TG

• Ruolo modesto dei cicli a vapore (una volta la tecnologia dominante)

Il risparmio di energia primaria, rispetto a una generazione separata moderna (rendimento medio dell’attuale parco termoelettrico italiano a gas naturale, caldaie con rendimento 90%) è significativo (8,6%)

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Ennio Macchi

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• Nessuna tecnologia raggiunge PES>10% (in media)

• Molti impianti esistenti potrebbero essere meglio gestiti (nessuna tecnologia in media raggiunge un rendimento totale pari a 75%)

• Molti impianti dissipano all’ambiente troppa energia

• La domanda termica soddisfatta da impianti a vapore a condensazione e spillamento alimentati a gas naturale è relativamente modesta, buona parte delle trasformazioni in ciclo combinato di questi impianti è già avvenuta.

• Vi ancora spazio per operazioni di repowering di impianti attualmente utilizzanti cicli a vapore a contropressione

Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia

con riferimento al gas naturale e alla direttiva europea

Ennio Macchi

Come si muove il mercato (dal 2005 al 2013, dati Terna)

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• Forte incremento della produzione dei motori alternativi a

combustione interna

• Diminuzione della produzione delle turbine a gas

• Quasi sparizione della produzione di impianti a contropressione

Ennio Macchi

C’è ancora spazio per la cogenerazione industriale?

• Che frazione dei circa 15 miliardi di mc/anno (circa 150 TWh/anno)

di GN destinati all’industria va a generare calore in modo inefficiente?

• Quante caldaie industriali potrebbero essere sostituite da sistemi

cogenerativi?

• Quali risparmi di energia primaria e di emissioni di gas clima-alteranti

si potrebbero ottenere?

• Che frazione dei circa 30 miliardi di mc/anno destinati a civile e

terziario potrebbe essere destinata a sistemi cogenerativi?

Sono convinto che il potenziale

sia molto interessante!

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Ennio Macchi

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GD (< 10 MVA)

Ennio Macchi

14

Sottostazioni

Utenze Commerciali

Utenze Industriali

Utenze CommercialiUtenti residenziali

MOTORI

MOTORI

Fuel cellMotori

TG

VolaniBATTERIE

FUEL CELLTurbina a Gas

Sottostazioni

Utenze Commerciali

Utenze Industriali

Utenze CommercialiUtenti residenziali

MOTORI

MOTORI

Fuel cellMotori

TG

VolaniBATTERIE

FUEL CELLTurbina a Gas

GENERAZIONE DISTRIBUITA Quali nuovi spazi per la generazione distribuita?

Ennio Macchi

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Impianti con potenza < 10 MVA (fonte: AEEG)

Diminuita la produzione da combustibili fossili

2009

2012

Ennio Macchi

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Ennio Macchi

17 Cogenerazione GD (<10MVA) nel 2012

Ennio Macchi

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Ennio Macchi

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PG < 1 MWel

Ennio Macchi

20 Piccola generazione: boom delle rinnovabili, non della

cogenerazione

2009

2012

Ennio Macchi

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Piccola generazione: boom

delle rinnovabili, non della

cogenerazione

Ennio Macchi

22 PG: Dominano i motori alternativi

Ennio Macchi

23 Dai grandi impianti ai micro-impianti…

Non c’è solo la grande

cogenerazione

industriale

L’Italia è piena di PMI

Terziario

Residenziale

Ennio Macchi

24 Ci piacerebbe che, fra dieci anni, migliaia (milioni?) di cucine italiane si presentassero così…. Fra gli elettrodomestici, anche un microcogeneratore inserito nella

cucina

motore Stirling

(o altro

microcogeneratore)

•Il motore sostituisce/integra la caldaietta

domestica nella generazione di calore e

contemporaneamente cogenera energia

elettrica, interfacciandosi sulla rete BT,

con cui scambia energia elettrica in modo

“intelligente”, esportandola nei periodi in

cui è pregiata, importandola quando è

poco pregiata

•In Italia si vende oltre un milione di

caldaiette a gas

Ennio Macchi

25 Tutte le tecnologie consentono risparmi energetici importanti, se operano con recupero integrale del calore

Recupero termico

realistico

Ennio Macchi

Un laboratorio del dipartimento di Energia

del Politecnico di Milano

Ennio Macchi

L’interno della cella di prova del laboratorio di

microcogenerazione (da 1 kWe a 100 kWe)

Prove su ogni tipologia di microcogeneratore e trigeneratore

Ennio Macchi

Sala controllo

Impianto

idraulico