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Thermochemical Power Group

DIME – University of Genoa (Italy)

tpg.unige.it

La Cogenerazione ad Alto Rendimento

(CAR)

Dott. Ing. Massimo Rivarolo [email protected]

Scuola Politecnica Università di Genova

DIME – Sez. Maset

http://www.tpg.unige.it/

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.


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.


Impianti per la cogenerazione


Micro - cogenerazione


Evoluzione in Italia

POTENZA INSTALLATA NEL 2017: 26,2 GW Fonte: Terna, elab. ARERA


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


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


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

Normativa nel tempo (1)



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


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


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.


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


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.


Riconoscimento CAR


minCHP

CHP PES

E RefH Ref

H

F1

CHPE


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


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


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.


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

Schema di principio calcolo CAR



Confini di impianto

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)


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!


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.


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


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


CHPEEEnoCHP

noCHPEL

noCHPnoCHP

EF

,

noCHPCHP FFF

CHPCHP HCE

Rappresentazione grafica


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)


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)


Calcolo dei Certificati Bianchi

Il numero di CB riconosciuti è legato al risparmio energetico conseguito:


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.


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


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).


Esempio applicativo di calcolo Per un impianto cogenerativo ad alto

rendimento


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)



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


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


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.


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


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