Efficienza energetica nelle aziende industriali - Varese · impianti di cogenerazione quelli che...

Gallarate, 4 Giugno 2012

Efficienza energetica nelle aziende industriali

La cogenerazione

Relatore: Ing. Carmelo Macrì

Gallarate, 4 Giugno 2012 2

La cogenerazione

Indice

1. La cogenerazione – Brevi cenni;

2. Scopo del progetto di cogenerazione;

3. Metodologia;

4. Studio per un impianto di cogenerazione;

a) Diagramma di durata;

b) Scelta della tecnologia;

c) Analisi dei rischi;

d) Modalità di finanziamento.

5. Risparmio di energia primaria e TEE (certificati bianchi);

6. Esempio di progetto e conto economico;

7. Analisi finale, costruzione, esercizio.


La cogenerazione - Definizione

Cogenerazione e' la produzione combinata di energia elettrica e calore alle condizioni definite dall'Autorità' per

l'energia elettrica e il gas, che garantiscano un significativo risparmio di energia rispetto alle produzioni

separate (Decreto Legislativo n° 79/99 art. 2 comma 8).

Decreto Legislativo n°79/99: l’AEEG viene incaricata

di definire i criteri per il riconoscimento della

produzione combinata di energia elettrica e calore

come cogenerazione;

Delibera AEEG n°42 del 19 Marzo 2002: sono definiti

impianti di cogenerazione quelli che soddisfano due

condizioni: un risparmio energetico (IRE) del 10%

almeno e un limite termico (LT - incidenza

dell’energia termica nel totale dell’energia prodotta)

pari ad almeno il 15%.

Direttiva 2004/8/CE del Parlamento europeo: è

cogenerazione ad alto rendimento quella che

realizza un risparmio di energia primaria (PES) pari

ad almeno il 10%.

Decreto Legislativo 8 febbraio 2007, n. 20: attuazione

della Direttiva 2004/8/CE.

La cogenerazione

Normativa di riferimento

http://www.gse.it/attivita/Cogenerazione/Documents/20080220_79_99.pdf






100)

Ref Ref

11(

E

CHPE

H

CHPHPES

Formula di calcolo del PES

dove:

• CHP Hn è il rendimento termico, rapporto tra calore utile e energia del combustibile;

• CHP En è il rendimento elettrico, rapporto tra energia elettrica da cogenerazione e energia del

combustibile;

• Ref Hn è il valore di rendimento (parametro di riferimento) per la produzione separata di calore, definito

dall’allegato V ;

• Ref En è il valore di rendimento (parametro di riferimento) per la produzione separata di energia elettrica,

definito dagli allegati IV, VI e VII ;

Per parametri di riferimento si intendono i parametri utilizzati per confrontare i rendimenti della produzione

combinata di energia elettrica e calore con i rendimenti della produzione separata. I parametri di riferimento

sono, dunque, degli indici che misurano i vantaggi della cogenerazione nei confronti dei sistemi

convenzionali. Questi parametri sono definiti dalla norma e la definizione del loro valore dipende dalla

scelta del legislatore.

Mentre la delibera 42/2002 ha come parametro di riferimento la taglia dell'impianto, il Dlgs 20/2007 (così come

disposto dalla direttiva europea) ha deciso che il parametro di riferimento è rappresentato dalla Best

Avaible Technology media per combustibile.

La cogenerazione


La cogenerazione

BENEFICI LEGISLATIVI:

1. L’esonero dall’obbligo di acquisto dei certificati verdi previsto per i produttori e gli importatori di

energia elettrica;

2. La precedenza, nell’ambito del dispacciamento, dell’energia elettrica prodotta da cogenerazione;

3. La possibilità di ottenere i titoli di efficienza energetica (certificati bianchi);

4. Le agevolazioni fiscali sull’accisa del gas metano utilizzato per la cogenerazione;

5. La possibilità di accedere al servizio di scambio sul posto dell’energia elettrica prodotta da impianti di

cogenerazione ad alto rendimento con potenza nominale fino a 200 kW;

6. La possibilità di applicare condizioni tecnico-economiche per la connessione semplificate.


La cogenerazione

Centrale elettrica η = 40%

Caldaia η = 90%

ηelettrico = 34%

ηtermico = 50%

Potenza 34 unità

Calore 50 unità

Perdite

51 unità

Perdite

6 unità

Totale perdite: 57

Combustibile 85 unità



Potenza 34 unità

Calore 50 unità

Perdite

16 unità

Produzione separata

Cogenerazione

Risparmio energetico = (141-100)/141 = 29%

INPUT 141 unità

INPUT 100 unità

OUTPUT 84 unità

OUTPUT 84 unità


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2. Scopo del progetto di cogenerazione

conseguire autonomia elettrica;

migliorare la qualità del servizio energia allo stabilimento;

ridurre l’impatto ambientale;

ridurre i costi operativi di approvvigionamento energetico.

Un progetto di cogenerazione può avere una o più tra le seguenti finalità:


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2. Scopo del progetto di cogenerazione

Investimento in autoproduzione

Re

dd

itiv

ità

(IR

R, p

ay-b

ac

k)

Gruppo elettrogeno di

emergenza

Gruppo elettrogeno in

funzionamento “prime”

o “peak shaving”

Il Delta Investimento è

remunerato dai risparmi

sulla produzione di e.e. in

ore piene

Cogenerazione

dimensionata su

autonomia elettrica

Cogenerazione

dimensionata sul minimo

“base load” economico

Il Delta Investimento è

remunerato dai mancati

costi di black-out e

microinterruzioni


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Audit energetico preliminare Audit energetico approfondito

Attore Energy manager (interno o consulente esterno) Personale esperto e diretto dell’investitore.

Scopo Verificare l’efficienza dei flussi energetici attuali

e proporre / confrontare varie soluzioni

migliorative.

Include l’analisi, sulla vita dell’impianto, dei rischi

tecnici, gestionali, manutentivi, economici e

finanziari, delle soluzioni migliorative proposte.

Ambito Tutte le attività dello stabilimento

energeticamente rilevanti

Include il coinvolgimento di TUTTE le funzioni

direzionali (ammin., finanza, legale, produzione,

manutenzione, etc.)

Dati di Input Fatture e dati storici di stabilimento Include la definizione dei protocolli di misura e

verifica delle prestazioni

Output Confronto tra proposte alternative in base a

budget di investimento e pay-back semplice.

Analisi tra le proposte sulla base dell’analisi dei

rischi . Definizione di livelli di servizio

3. Approccio/Metodologia


4.a) Valutazione dei fabbisogni energetici - Costruzione dei diagrammi di

consumo di energia elettrica e termica

1. Valutazione dei fabbisogni energetici del processo produttivo;

2. Analisi del consumo specifico di energia elettrica e termica per unità di

prodotto, e confronto con benchmark di mercato;

3. Ipotesi di sviluppo futuro del sito produttivo (i.e.: modifiche al processo

produttivo, modifiche del prodotto, trasferimento della produzione, etc.);

4. Definizione dell’anno tipo (l’anno tipo si intende definito indicando

volumi di produzione per ogni tipo di prodotto, turni lavorativi, carichi

energetici per settimana tipica).

La cogenerazione

4. Studio per un impianto di cogenerazione


La cogenerazione

4. Studio per un impianto di cogenerazione

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1 606 1.211 1.816 2.421 3.026 3.631 4.236 4.841 5.446 6.051 6.656 7.261 7.866 8.471

3 turni 2 turni 1 turno

Diagramma di durata del consumo di energia

4.a) Valutazione dei fabbisogni energetici - Costruzione dei diagrammi di

consumo di energia elettrica e termica


4.b) Scelta della tecnologia

La cogenerazione

I profili orari di assorbimento (elettrico e termico) consentono di trovare la soluzione

impiantistica che li soddisfa minimizzando i costi (di esercizio e di investimento).

Da definire:

a) la taglia dell’impianto (dimensionata sul profilo elettrico o termico);

b) il numero delle macchine da installare;

c) la scelta tra turbogas, ciclo combinato o motore;

d) il dimensionamento energetico o economico.


Tecnologia vs Taglia impianto

Applicable Size Range, kWe

Strong Market Position

Market Position

Emerging Position

Gas Turbines

Gas Engines

Micro Turbines

100.000 10.000 1.000 100 10

La cogenerazione

4.b) Scelta della tecnologia


La cogenerazione

Tipologie di impianti

1. Cogenerazione con motori a combustione interna

Motore endotermico

Motori a ciclo otto

Motori a ciclo Diesel

Combustibile

Gas, biogas

Gasolio, biodiesel, olio

vegetale

Generatore elettrico

Trasformazione energia

meccanica in elettrica

Scambiatore di calore

Sistema di recupero del

calore utilizzato

successivamente come

acqua calda e/o come

vapore.

Recupero del calore

dall’olio e dai fumi.


La cogenerazione


La cogenerazione


2. Cogenerazione con turbine a gas

Turbina a gas Combustibile Generatore elettrico



Scambiatore di calore

Sistema di recupero del

calore dai fumi esausti

prima di scaricarli

nell’atmosfera (400-500

°C).

Gas naturale (metano),

biogas


La cogenerazione


3. Cogenerazione con turbine a vapore

Turbina a vapore Combustibile

Gas, biogas,

biocombustibili,

biomasse, ecc..

Generatore elettrico



Generatore di vapore

Caldaia esterna

Turbine a

contropressione

Turbine a

condensazione con

spillamento

Recupero termico


Classificazione dei rischi del mercato energetico

Probabilità occorrenza

Imp

att

o e

co

no

mic

o

La cogenerazione

4.c) Analisi dei rischi

Rischio

finanziario

Rischio

autorizzativo

Tempi di

realizzazione

investimento

Rischio mercato

del cliente

Rischio

operativo

Volatilità dei

prezzi delle

materie prime

Rischio

tecnologico

Evoluzione

regole del

mercato

Evoluzione del

mercato

Volatilità dei

prezzi delle

materie prime


Nella definizione dell’investimento, l’impresa dovrà valutare e quantificare i seguenti

aspetti:

1. Rischio tecnologico

(scelta della tecnologia e delle dimensioni

dell’impianto)

2. Rischio operativo

(necessità di nuovo personale; guasti,

disponibilità, affidabilità, manutenzioni)

3. Rischio autorizzativo

(emissioni in atmosfera; rumore; Snam, Enel,

GRTN, ASL, Ispesl, UTF, etc.)

La cogenerazione

4.d) Analisi dei rischi


5. Rischio finanziario

legato all’investimento; limitazione della capacità di

indebitamento

6. Tempi di realizzazione dell’investimento

ed in genere, tutti i rischi e gli oneri tipici di un investimento in un’attività

non core business……

4. Rischio mercato dell’energia

(evoluzione delle regole del mercato elettrico, volatilità

dei prezzi delle materie prime, Titoli di Efficienza

Energetica, normativa sulla cogenerazione, etc.)

La cogenerazione



Alcuni esempi……

Evoluzione del mercato: • evoluzione dello spread tra costo del kWh elettrico e del m3 di gas naturale;

• evoluzione delle tariffe di trasporto del gas naturale e dell’energia elettrica;

• evoluzione della normativa fiscale sulla cogenerazione.

Rischio tecnologico: • scelta non corretta della tecnologia, o della taglia dell’impianto

Rischio operativo: • manutenzione non appropriata (fornitori non qualificati?);

• frequenti fermate per guasti;

• problemi al riavviamento dell’impianto.

Regole del Mercato: • chi è disposto oggi a scommettere sul valore dei TEE?

Tempi di realizzazione: • di norma difficilmente controllabili

… altro?

La cogenerazione



Un progetto di cogenerazione può essere:

• Interamente autofinanziato

• Finanziato ricorrendo al debito

• Finanziato tramite operazioni di Project Finance

• Finanziato tramite una ESCO (TPF, Third Part Financing)

• Leasing Operativo

…l’energy manager di norma si sente poco coinvolto nella modalità di

reperimento dei fondi …

La cogenerazione

4.d) Modalità di finanziamento


La cogenerazione

5. Risparmio di energia primaria e TEE

CERTIFICATI BIANCHI DEFINIZIONE

I certificati bianchi, o più propriamente Titoli di Efficienza Energetica (TEE), sono titoli che certificano i risparmi energetici

conseguiti da vari soggetti attraverso la realizzazione di specifici interventi (es: efficientamento energetico) e che valgono il

riconoscimento di un contributo economico.

I certificati bianchi riguardano tre tipi di interventi:

risparmio di energia elettrica;

risparmio di gas naturale;

risparmio di altri combustibili.

STORIA

Istituiti in Italia con i DD.MM. 20 luglio 2004 elettricità e gas, ed entrati in vigore nel gennaio 2005, i certificati bianchi

consistono in titoli acquistabili e successivamente rivendibili il cui valore è stato originariamente fissato a 100 €/tep, valore

soggetto a variazioni stabilite anche in funzione dell'andamento del mercato.

IMPOSTAZIONE

La soglia minima per il conseguimento del certificato bianco varia in funzione della tipologia di progetto sottoscritto e in ogni

caso non inferiore a 20 tep annui. Per la maggior parte degli interventi il periodo di concessione è di 5 anni, mentre per gli

interventi di isolamento termico degli edifici, di architettura bioclimatica e altri interventi similari il periodo di concessione è di 8

anni.

OBBLIGO da parte dei GRANDI DISTRIBUTORI di effettuare interventi di risparmio energetico;

DIRITTO degli OPERATORI che attuano tali interventi di ricevere dal GME i CERTIFICATI;

NEGOZIABILITA’ dei CERTIFICATI BIANCHI secondo formule regolate;

CONTROLLO TECNICO del sistema da parte dell’AEEG e il controllo del mercato da parte del GME.


Fattori di conversione delle energie:

1 GWh MT = 230 tep

1 GWh BT = 250 tep

1 Gm3 gas nat = 820 tep

1 t Fuel Oil = 0,980 tep

1 t Diesel Oil = 1,080 tep

Il risparmio di 1 tep equivale ad una riduzione delle emissioni di

CO2 pari a circa 3 t di CO2.

La cogenerazione



Un esempio:

Stabilimento senza cogenerazione, con i seguenti prelievi di energie:

Energia elettrica: 35 GWh/a [4.500 kW x 7.800 ore/a]

Gas Naturale: 10,2 Mm3/a [vapore 10 bar g]

Consumo energia primaria: 16.660 tep/a

Installazione di un gruppo di cogenerazione da 3.800 kWe lordi.

I prelievi delle energie diventano:

Energia elettrica: 8 GWh/a

Gas Naturale: 16 Mm3/a

Consumo energia primaria: 14.960 tep/a

Risparmio annuale di energia primaria: 1.700 tep/a

La cogenerazione



Fotografia energetica (istantanea, anno 2011)

Prelievi energia elettrica: 25 GWh/a

ca. 8000 ore/a piatto

Prelievi gas naturale: 9 Mm3/a

utilizzo gas naturale: 80% vapore saturo 10 bar g

(caldaie olio diatermico)

20% forni

Reintegro acqua alimento: 4 m3/h (15 ÷ 20 °C)

Produzione di freddo: 2 unità da 750.000 frig/h (7°C)

carico medio: 65% inverno

85% estate

La cogenerazione

Un esempio di progetto e conto economico


Previsioni di sviluppo dello Stabilimento:

Tipo di prodotto: maturo

Perennità del sito: confermata nel medio

termine (fino a 5 anni)

Aumento della produzione: non previsto

Riduzione dei consumi specifici: possibili

(a seguito di ristrutturazione dei processi)

Obiettivi del Cliente per il servizio energia:

• Riduzione del costo, a parità di livello di servizio;

• Eventuali progetti di risparmio energetico.

La cogenerazione



La proposta di efficienza energetica:

Cogenerazione con produzione di:

2.000 kWe

800 kWt ad alta temperatura (1.200 kg/h di vapore)

1.300 kWt a bassa temperatura (acqua calda 90 – 70°C)

Combustibile:

523 m3/h gas naturale

Rendimenti teorici:

elettrico: 39,8%

cogenerativo: 81,7%

La cogenerazione



Purtroppo però lo stabilimento non riesce ad assorbire 54 m3/h di acqua

calda, ma al massimo 15 m3/3 per preriscaldo acqua alimento

Assorbitore che utilizza acqua calda a bassa temperatura per dare acqua

fredda a 7°C.

Capacità assorbitore: 700 kWf

Potenza termica assorbita: 1.050 kWt (vincoli precisi sui livelli termici)

Potenza termica residua acqua calda: 250 kWt

La cogenerazione

6. Un esempio di progetto e conto economico


La cogenerazione


Investimento: 1.500 k€

Valore della produzione:

en. elettrica 15 GWh/a 1.125.000 €/a

en. termica 7,8 GWh/a 180.000 €/a

en. frigo 3,5 GWh/a 105.000 €/a

1.410.000 €/a

Costi della produzione:

gas naturale 3,9 Mm3/a 740.000 €/a

accise 6.000

Manutenzione ordin. 200.000

Manutenz. Straord. 15.000

Olio 25.000

Conduzione 8.000

994.000 €/a


Margine di contribuzione ai costi fissi: 416.000 €/a

Overheads 30.000 €/a

Margine operativo lordo: 386.000 €/a

Pay-back semplice: 3,9 anni

Il ruolo dell’energy manager non è esaurito!

• l’investimento è stato valutato con accuratezza? (definizione della taglia e della

tecnologia, offerte di fornitori, stime per b.o.p., strumentazione, modifiche agli impianti esistenti, ingegneria, autorizzazioni, etc.)

• sono stati valutati correttamente i rischi industriali (“what if…”)?

• quale è il riferimento delle energie?

• l’azionista vorrà investire nel progetto? Ci sono altre forme di

finanziamento?

La cogenerazione



La cogenerazione

Analisi finale dei rischi e ruolo dell’EM

a) verificare che l’investimento sia stato valutato con accuratezza (definizione della taglia e della

tecnologia, offerte di fornitori, strumentazione prevista, modifiche agli impianti esistenti, ingegneria,

autorizzazioni, etc.);

b) controllare che siano stati valutati correttamente i rischi industriali;

c) fissare il riferimento delle energie;

d) verificare che la Direzione voglia investire nel progetto o fare ricorso ad altre forme di finanziamento.

Costruzione

a) Nomina di un capo commesse (responsabile della realizzazione di tutto il progetto)

Esercizio

a) verifica della rispondenza alle attese (utilizzo dell’energia elettrica e calore);

b) analisi consuntiva dei problemi ambientali (rumore ed emissioni);

c) analisi e soluzione delle anomalie;

d) registrazione delle anomalie.

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