Il calcolo dell’efficienza energeticanelle nuove BAT Conclusions e i

livelli associati

Esempi di casi semplici e casiparticolari

Lorenzo Ceccherini

Sommario

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• Efficienza energetica nelle BAT Conclusions - i tre casi

• Performance test e valori di design

• Condizioni al contorno del calcolo

• Le due formule

• Esempi di calcolo: caso semplice e caso complesso

• Differenze con l’R1

Energy Efficiency in Waste Incineration BREF Final Draft

3

“I BAT-AEEL riportati nelle presenti conclusioni sulle BAT per l’incenerimento dei rifiuti non pericolosi diversi dai fanghi di depurazione e dei rifiuti di legno pericolosi sono espressi come: :

• Efficienza elettrica lorda, nel caso di un impianto di incenerimento o di una parte di un impianto di incenerimento che produce elettricità mediante una turbina a condensazione;

• Efficienza energetica lorda, nel caso di un impianto di incenerimento o di una parte di un impianto di incenerimento che:

• produce solo calore, o

• produce elettricità mediante una turbina di contropressione e calore con il vapore in uscita dalla turbina.

Solo elettricità Solo calore

+ Impianti CHP

Turbina a condensazione

Turbina a contropressione

Capace di espandere tutto il vapore in turbina

NON Capace di espandere tutto il vapore in turbina

Impianto ibridoCaso 1 Caso 2

Caso 2

Caso 1 Caso 3

Caso 2 – impianti orientati alla produzione

del calore

Caso 1 – impianti orientati produzione di

elettricità

Energy Efficiency – BAT 2: monitoraggio

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“BAT 2. La BAT consiste nel determinare l’efficienza elettrica lorda, l’efficienza energetica lorda o il rendimento della caldaia dell’impianto di incenerimento nel suo insieme o di tutte le parti dell’impianto di incenerimento interessate.

Descrizione

«Nel caso di un nuovo impianto di incenerimento o dopo ogni modifica di un impianto di incenerimento esistente che potrebbe incidere in misura significativa sull’efficienza energetica, si determina l’efficienza elettrica lorda, l’efficienza energetica lorda o il rendimento della caldaia mediante l’esecuzione di una prova di prestazione a pieno carico. Nel caso di un impianto di incenerimento esistente che non sia stato sottoposto a una prova di prestazione, o qualora non sia possibile eseguire una prova di prestazione a pieno carico per ragioni tecniche, è possibile determinare l’efficienza elettrica lorda, l’efficienza energetica lorda o il rendimento della caldaia tenendo conto dei valori di progettazione alle condizioni della prova della prestazione. Per quanto riguarda la prova di prestazione, non sono disponibili norme EN per la determinazione del rendimento della caldaia negli impianti di incenerimento. Per gli impianti di incenerimento a griglia è possibile avvalersi della linea guida RL 7 del FDBR”

WI BREF – Capitolo 3 – in inglese

• The energy efficiency data presented in this section are in principle

derived from the performance test that the plant underwent to

check its real performance when it was first commissioned or after

significant changes. However, the performance test data were not

available in all cases: while performance tests are generally carried

out for furnaces/boilers and for turbo-generator sets, this is not the

case for district heating heat exchangers or for direct export systems

for steam or hot water.

• The nominal design values initially provided by the suppliers and/or

updated operating data were used as an alternative

Prova di prestazione a pieno carico

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Una prova di prestazione a pieno carico viene eseguita normalmente su:

• Caldaia (eg. con FDBR RL 7, che adatta EN 12952-15 all’incenerimento dei rifiuti)

• Turbina e.g. con IEC 60953-1/2 o DIN 1943

E verifica che questi possano raggiungere i parametri e le funzioni

garantite come previsto, e di solito viene eseguita dopo il periodo di

messa in servizio o il retrofit di un impianto.

Non viene eseguito una prova di prestazione su:

• Scambiatori per teleriscaldamento

• Sistema di export vapore

Per queste parti, sono utilizzati i valori di design

Implementazione del WI BREF: possibili situazioni

7

Nuovo impiantoImpianto esistente – con modifiche impattanti sull’ee

Impianto esistente –senza modifiche

impattanti sull’ee

Definizione Impianto autorizzato per la prima volta dopo la pubblicazione delle presenti conclusioni sulle BAT o sostituzione integrale di un impianto dopo la pubblicazione delle presenti conclusioni sulle BAT.

«Impianto che non è un impianto nuovo.»«modifica di un impianto di incenerimento esistente che potrebbe incidere in misura significativa sull’efficienza energetica»

«Impianto che non è un impianto nuovo. «Nessuna modifica di un impianto di incenerimento esistente che potrebbe incidere in misura significativa sull’efficienza energetica

Prima di ottenere, aggiornare l’autorizzazione

Per richiedere l'autorizzazione, valori di design in grado di rispettare i BATAEEL

valori di design delle parti nuove in grado di rispettare i BATAEEL

-

Caldaia e turbina Effettuare una prova di prestazione a pieno carico

Effettuare una prova di prestazione a pieno carico sulle parti nuove, se possibile. Utilizzare la prova di prestazione esistente sulle parti esistenti, se possibile. Altrimenti utilizzare i valori di design

Utilizzare la prova di prestazione esistente sulle, se possibile. Altrimenti utilizzare i valori di design

Scambiatori e export di vapore diretto

Valori di design Valori di design Valori di design

Condizioni al contorno del calcolo WI BREF, Capitolo 3

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The energy efficiency may be assessed at the level of the waste incineration plant, with the

system boundary shown in Figure, or at the level of a part of the waste incineration plant in

cases where the amounts of energy recovered by different parts of the plant cannot be

appropriately summed together for example. (FROM WI BREF, page: 271)

Parte di un impianto diincenerimento :— una linea diincenerimento e il suocircuito del vapore presiseparatamente;— una parte del circuitodel vapore, collegata auna o più caldaie,convogliata a una turbinaa condensazione;— il resto dello stessocircuito del vapore

Definizione:

Efficienza elettrica lorda – Formula caso 1

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We: potenza elettrica generata, espressa in MW;

Qth: potenza termica fornita alle unità di trattamento termico (ad esempio i forni), compreso dai rifiuti e dai combustibili ausiliari utilizzati continuativamente (salvo ad esempio per l’avviamento), espressa in MWth, come il potere calorifico inferiore.

Qb: potenza termica prodotta dalla caldaia, espressa in MW;

Qi: potenza termica (come vapore o acqua calda) utilizzata internamente (ad esempio per riscaldare nuovamente gli effluenti gassosi), espressa in MW;

Fattore di correzione per tenere in considerazione l’uso interno di calore

Output potenza elettrica su potenza termica in input

Si applica a impianti prevalentemente orientati verso la produzione di elettricità:• Impianti solo elettrici • Impianti cogenerativi in grado di espandere tutto

il vapore in turbina𝑄𝑖 non deve tenere conto del calore utilizzato internamente quando si traduce in un'energia utilizzata nella produzione di vapore / acqua calda dalle caldaie

Turbina performance test:Caldaia performance test:

Altri fattori di correzione che possono essere usati:• Temperatura ambiente e pressione• Aging

Boiler

𝑄𝑡ℎ

𝑄𝑏

𝑊𝑒

𝑄𝑖

Input alla turbina

𝑄𝑏∗

Turbina a condensazione

* Se l’input di una turbina è diverso dall’output della caldaia (ad esempio perché i test di prestazione sono stati effettuati in giorni diversi), i due valori devono essere eguagliati. Esempi nell allegato 8 del BREF

𝜂𝑒 =𝑊𝑒

𝑄𝑡ℎ× ( Τ𝑄𝑏 (𝑄𝑏 − 𝑄𝑖)

Gross Energy Efficiency – Formula case 2

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𝑊𝑒 : potenza elettrica generata, espressa in MW;

𝑄𝑑𝑒: potenza termica esportata direttamente (come vapore o acqua calda) meno la potenza termica delflusso di ritorno, espressa in MW;

𝑄ℎ𝑒 : potenza termica fornita agli scambiatori di calore sul lato primario, espressa in MW

Qi: potenza termica (come vapore o acqua calda) utilizzata internamente (ad esempio per riscaldare nuovamente gli effluenti gassosi), espressa in MW;;

Qth: potenza termica fornita alle unità di trattamento termico (ad esempio i forni), compreso dai rifiuti e dai combustibili ausiliari utilizzati continuativamente (salvo ad esempio per l’avviamento), espressa in MWth, come il potere calorifico inferiore.

.

L’impianto è prevalentemente orientato verso la produzione di calore:• Solo produzione di calore• Impianti di cogenerazione dotati di

turbina a contropressione

Heat exchanger

primary

𝑄ℎ𝑒

Industrial installation

𝑄𝑑𝑒

Qde e Qhe devono essere corretti a quellaparte di Potenza termica nominale fornitaquando la turbina connessa è utilizzata a potenza nominale (o da test di prestazione)- Per evitare sovradimensionamenti-

Nominal design values

𝜂ℎ =𝑊𝑒 + 𝑄𝑑𝑒 +𝑄ℎ𝑒 +𝑄𝑖

𝑄𝑡ℎ

Consumo interno di calore

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Quando 𝑄𝑖 è uguale a 0, questo fattore moltiplicativo è uguale a 1 e quindi non ha alcun impatto,

Se 𝑄𝑖> 0, il fattore moltiplicativo è > 1 e aumenta il numero risultante dalla formula.

Esempi di Qi positive sono i seguenti

• Vapore utilizzato per surriscaldare i fumi in uscita

• Calore per il Sistema di pulizia fumi

• Soffiatori di fuliggine a vapore

• Organi meccanici a vapore (compressori, pompe)

• Riscaldamento, raffreddamento e acqua calda per edifici, strumenti, silos e serre

• calore recuperato dalla condensazione dei fumi

L’energia recuperate in questo modo può anche essere utilizzata al di fuori dell’impianto, ma siccome non c’èaltro modo di contarla nel calcolo, dovrebbe essere aggiunta all’uso interno

(𝑸𝒃/(𝑸𝒃−𝑸𝒊))

BREF Waste Incineration - BATAEELs

12

DATA Collection – Efficienza energetica

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Impianti data collection - BREF WI - efficienza elettrica lorda

Lower - end

Upper - end

Waste Incineration lines

Ener

gy e

ffic

ien

cy [

%]

Tecniche per aumentare l’efficienza energetica dell’impianto

di incenerimento

• Essiccazione dei fanghi di depurazione

• Riduzione del flusso di effluenti gassosi

• Riduzione al minimo delle perdite di calore

• Ottimizzazione della progettazione della caldaia

• Scambiatori di calore per effluenti gassosi a bassa temperatura

• Condizioni di vapore elevate

• Cogenerazione

• Condensatore degli effluenti gassosi

• Movimentazione delle ceneri pesanti secche

Efficienza energetica: problematiche possibili

15

1)BATAEELs non possono essere

raggiunti dall’impianto

I BATAEEL non hanno lo stesso stato

giuridico dei BATAEL (che sono

menzionati esplicitamente nel capitolo 2

IED).

Il raggiungimento dei livelli potrebbe

essere fuori dal controllo dell'operatore.

(le misure elencate nella BAT 20

potrebbero non essere sufficienti o

applicabili)

2) Che succede se un impianto non

rientra né nel caso 1 né nel caso 2?

3. L’autorità competente fissa valori limite di emissione che garantiscano che, in condizioni di esercizio normali, le emissioni non superino i livelli di emissione associati alle migliori tecniche disponibili indicati nelle decisioni sulle conclusioni sulle BAT

Art.15.3

Casi particolari : impianti ibridi – caso 3

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Esistono casi speciali, in cui né l'una né l'altra formula possono applicarsi completamente all’impianto.

Esempi di casi speciali sono:

• Un impianto in grado di espandere solo una parte del vapore nella turbina a condensazione

• Un impianto che ha contemporaneamente una turbina a condensazione e una turbina a

contropressione.

Come si risolve il calcolo in questi casi?Una soluzione potrebbe essere dividere l’impianto in più parti

BOILER HE𝑄𝑡ℎ

Caso 2

Caso 1

Esempio: due turbine in parallelo.

Qth deve essere diviso tra le due turbine.

Condensing turbine

backpressure turbine

Esempio di calcolo – caso ibrido

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BOILER

CondenserSteam to industry

Non è possibile calcolare l'efficienza dell'intero impianto attraverso la formula

dell'efficienza elettrica lorda o dell'efficienza energetica lorda.

SETUP:

• Una turbina ad alta pressione

• Turbina a bassa pressione dove

espande solo parte del vapore

• La restante parte del vapore è

mandata ad un’industria vicina

HP LP

Esempio di calcolo per un caso speciale

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• vapore che viene successivamente esportato ad un’industria, e che passa solo

attraverso la turbina HP, la turbina HP sarà considerata una turbina a

contropressione virtuale. Efficienza energetica lorda

• vapore che viene completamente espanso in turbina e corrisponderà alla capacità

del vapore che la turbina LP può espandere. Efficienza elettrica lorda

Steam to industry

LPHP

Una soluzione è dividere il flusso di vapore in due parti:

Esempi di calcolo sono contenuti nella guida CEWEP e nell’allegato 8 del BREF.

L'elettricità prodotta dovrebbe essere divisa in base al delta entalpia del vapore nella

turbina HP, che poi viene diretto all'industria e quella che invece si espanderà

completamente anche nella turbina LP

Energy efficiency - difference with R1 formula

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Calcolo dell’efficienza secondo le BAT

• Valutare la capacità dell’impianto di recuperare energia in

modo efficiente

• Da eseguire una sola volta o dopo qualsiasi modifica che

possa influire in modo significativo sull'efficienza energetica

• Due tipi di formula a seconda del tipo di impianto (solo

calore, solo elettricità, cogenerazione (dipende dalla

turbina)

• In base alle prove di prestazione o ai valori di progettazione

dell'impianto (o parte di esso)

• Il calore e l'elettricità sono sommati solo nel caso di un

impianto di cogenerazione dotato di turbina a

contropressione

• Nessun fattore moltiplicativo per tenere conto dell'efficienza

di riferimento di altri impianti

• Valore di riferimento da verificare con BATAEELS di BAT

20

Calcolo dell’R1

• Valutare il recupero energetico effettivo nell'arco di un anno

• Da eseguire periodicamente (ad es. Ogni 3 anni)

• Stesso calcolo per tutti gli impianti di incenerimento dei rifiuti, indipendentemente dall'impianto

• In base al rapporto tra la produzione complessiva di energia e la quantità totale di energia fornita in input in un determinato anno

• Il calore e l'elettricità sono riassunti insieme

• Fattori moltiplicativi applicati all'elettricità prodotta (2.6, basata sull'efficienza media europea delle centrali a carbone) e al calore prodotto (1.1, efficienza termica media delle centrali termiche)

• Valore di riferimento da confrontare con una soglia per ottenere lo stato R1

R1 value is a benchmark value set by the WFD. If met, the plant is considered a recovery operation (non disposal)

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Grazie per l’attenzione

Lorenzo CeccheriniMsc Energy EngineeringExternal advisor - Energy

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