La Cogenerazione

Unità di misura

• unità di misura dell’energia del Sistema Internazionale: il Joule

• ancora molto usate sono: kilocaloria (kcal), British Thermal Unit (BTU), kilowattora (kWh) ed i loro multipli. La caloria, definita come la quantità di energia necessaria per innalzare di un grado centigrado 1 grammo di acqua distillata, è uguale a 4,186 J (altre equivalenze: 1 BTU = 1.055 Joule; 1 kWh = 3.600.000 J = 860 kcal)

• per fare, poi, dei bilanci energetici che tengano conto dell’apporto di diverse fonti, ognuna di esse, a partire dai diversi poteri calorifici inferiori (p.c.i.), viene convertita in una unità di misura, commerciale, di uso generale: la tonnellata equivalente petrolio (tep) o il suo multiplo milioni di tep (Mtep). A volte si fa riferimento ad un’altra unità: il barile di petrolio (bep); dove 1 barile = 159 lt = 0,137 ton)

I numeri dell’energia

• 1 tep - (toe-tonn of oil equivalent) corrisponde all’energia termica sviluppata da una tonnellata di petrolio, che è di circa 10 milioni di kcal

• 1 tep = 10 * 106 kcal = 11.628 kWh termici, ovvero 4.545 kWh elettrici

• 1 Mtep = 11,628 miliardi di kWh termici, ovvero 4,55 miliardi di kWh elettrici

La Cogenerazione - Principi

Definizione• Si definisce cogenerazione la generazione

combinata di energia termica e di energia elettrica o meccanica.

• La produzione avviene contemporaneamente e in un sistema integrato.

• Si ottengono consistenti valori di risparmio di energia primaria rispetto alla produzione separata.

Gli impianti CG utilizzano i seguenti motori primi:• motori endotermici• turbine a gas• turbine a vapore• celle a combustibile e FER• cicli combinati


Potenza elettrica Tecnologia

Pe < 1 MW Motori, Celle e FER, Turbogas

1 MW < Pe < 10 MW

Motori, Turbogas, Turbovapore

Pe > 10 MW Turbogas, Turbovapore, CC

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I combustibili utilizzabili sono:• gas naturale• biomasse• biogas• bioetanolo• residui solidi urbani • carbone• olio diatermico

8La Cogenerazione - Principi


Per ottenere la stessa quantità di energia elettrica e calore

• necessita circa il 30 % in meno di energia primaria

• migliora il rendimento complessivo (forte diminuzione delle perdite)

• diminuisce l’emissione di agenti inquinanti in atmosfera


Per essere assimilato a FER un impianto CG deve avere l’indice Ien= Ee/Ec + (1/0,9 * Et/Ec) – a => 0,51.

• Ee = energia elettrica utile prodotta – energia ausiliari

• Et = energia termica utile prodotta• Ec = energia utile introdotta con il combustibile• a = (1/0,51-1) * (0,51 – Ee/Ec)


indts

indt

civts

civt

es

e

c

tses

c

s

c

s

cs

EE

pE

E

EE

E

E

E

E

EEIRE

111

Sino al 31 dicembre 2010 i criteri per il riconoscimento della “cogenerazione ad alto rendimento” sono quelli indicati nella delibera AEEG 42/02 (e successivi aggiornamenti), e fanno riferimento al calcolo dell’IRE (indice di risparmio energetico) e del LT (limite termico), definiti come :

et

t

EE

ELT


Dove:• Es=Ees+Ets è l’energia primaria da combustibile fossile per la

generazione separata (“s”) di elettricità e di calore per mezzo di due impianti distinti;

• Ee è l’energia elettrica netta generata dall’impianto di cogenerazione mentre Et (Etciv+Etind) è l’energia termica netta utile generata dall’impianto di cogenerazione;

• Ec rappresenta l’energia primaria riferita al potere calorifico inferiore del combustibile consumato dall’impianto di cogenerazione;

es è il rendimento elettrico di riferimento per la generazione elettrica separata, mentre ts è il rendimento termico di riferimento per la generazione termica separata;

• p è un coefficiente correttivo che tiene conto delle minori perdite sulla rete di trasmissione solitamente associate agli impianti di cogenerazione;

La Cogenerazione - Definizione

Taglia in Mwe per determinare es

Gas naturale, GPL, gasolio

Olio combustibile Nafta

Combustibili solidi fossili,

coke di petrolio

Rifiuti organici e inorganiciBiomasse

Tar di raffineria

10,40 0,35 0,33 0,23 0,35

> 1 - 100,41 0,36 0,34 0,25 0,35

> 10 - 25 0,44 0,38 0,36 0,27 0,35

> 25 - 50 0,48 0,39 0,37 0,28 0,35

> 50 - 100 0,50 0,39 0,37 0,28 0,35

> 100 - 200 0,51 0,39 0,37 0,28 0,35

> 200 - 300 0,53 0,39 0,37 0,28 0,40

> 300 - 500 0,55 0,41 0,39 0,28 0,40

>500 0,55 0,43 00,43 0,28 0,40

La Cogenerazione - Definizione

L’indice IRE rappresenta il rapporto tra il risparmio di energia primaria conseguito dall’impianto di cogenerazione (rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e calore) e l’energia primaria richiesta dalla produzione separata.

La Delibera AEEG 42/02 stabilisce le condizioni per il riconoscimento della produzione combinata di energia elettrica e calore come cogenerazione ai sensi dell’articolo 2, comma 8, del decreto legislativo 16 marzo 1999, n. 79. Stabilisce anche dei valori minimi per IRE e LT che sono:

IRE => IREmin che per le sezioni di nuova realizzazione è pari a 0.1(10%)

LT => LTmin che per le sezioni alimentate a gas naturale, GPL o gasolio, dal 1 gennaio 2006 al 31 dicembre 2007, è pari a 0.330(33%) fino a 10 Mwe di taglia.

La Cogenerazione - Utilità

IMPIANTO RENDIMENTO

Centrale Elettrica 40 – 45 % o 55 – 60 % se CC

Centrale Termica 80 – 92 %

Impianto cogenerativo 70 – 85 % ( ee 30 – 35 % )

La Cogenerazione – Corretto utilizzo

Avere disponibilità simultanea di energia termica ed elettrica o meccanica.

Utilizzo ottimale dell'energia termica disponibile, anche per i piccoli impianti.

Utilizzo dell’energia termica anche nel periodo estivo per avere energia frigorifera.


Parametri per un corretto dimensionamento

tecnico - economico:• andamento dei carichi termici ed elettrici

• tariffe dell’elettricità e del combustibile

• ore di utilizzo annue

• costi di investimento e di gestione


• Punto di partenza: costo energia autoprodotta (consumo specifico netto combustibile e costo combustibile stesso)

• Ricavo: differenza tra costo energia acquistata (elementi tariffari: corrispettivi fissi per potenza impegnata e fasce orarie) e costo energia prodotta (consumi e costi accessori), numero delle ore previste e quelle effettivamente realizzate

• Confronto con i costi di investimento (macchinari, opere civili-differenza con impianto tradizionale)

La Cogenerazione – Ciclo con turbina a vapore

Caldaia

Acqua preriscaldata Acqua

Combustibile

Vapore

TV

Vapore alla utenza

Generatore

La Cogenerazione – Ciclo combinato

C a R

Acqua di alimento

Aria

C TG

Combustibile CCG

as

GeneratoriEE

TV

vapore

Vapore

La Cogenerazione – Motori

La Cogenerazione – Motori

1000 kWe

330 kWe

La Cogenerazione – Macchine centrifughe

Turbina centrifuga

La Cogenerazione – Turbogas assiali

Turbocompressore assiale

La Microcogenerazione

La Microcogenerazione

La Microcogenerazione - Definizione

• Impianti cogenerativi aventi potenze elettriche nominali < 1 MWe

• Più specificatamente sono quegli impianti di piccola e piccolissima taglia aventi potenze elettriche fino a 200 - 300 kWe

• Soddisfano esigenze di tipo locale• Sono progettati prioritariamente per produrre

calore

30La Microcogenerazione - Definizione

• L’intero autoconsumo dell’energia termica e di quella elettrica rende conveniente questa tecnologia

• Eventuali sovrarichieste possono essere prodotte con caldaie da integrazione o con l’allacciamento alla rete elettrica

• Utilizzo minimo di 3000 – 4000 ore anno• Ritorno dell’investimento in circa 4-5 anni

31La Microcogenerazione - Definizione

• Mancanza di perdite significative nella distribuzione del calore e dell’energia elettrica (consumo in loco)

• Non è necessario realizzare edifici centrale• La sua diffusione contribuisce alla nascita di

piccole e piccolissime aziende dedicate alla progettazione – realizzazione - gestione e manutenzione di questi impianti

32La Microcogenerazione - Applicazioni

La microcogenerazione risulta idonea nelle seguenti applicazioni:

• centri residenziali,• centri commerciali,• piccole industrie, imprese artigiane• ospedali,• hotel,• piscine, • scuole e collegi,• edifici pubblici.

33La Microcogenerazione – Tecnologie

Per impianti di piccola e piccolissima taglia le macchine più utilizzate sono:

• Motori di piccola taglia• Microturbine a gas• Celle a combustibile

• Altre tecnologie (solare termodinamico?)

La Microcogenerazione – Turbogas

La Microcogenerazione – Caratteristiche

Pe Pt CH4 Re Rt Rc

kWe kWt mc/h % % %

30 62 13 26 49 75

60 127 25 25 53 78

80 154 30 28 54 82

100 167 36 30 48 78

La Microcogenerazione – Il motore Stirling

Motore Stirling• Si tratta essenzialmente di una camera piena di

gas con due pistoni. • Un lato della camera è costantemente riscaldata,

mentre l'altro è costantemente tenuto freddo.• L'espansione del gas determinata dal calore è

tale da spingere il primo dei due pistoni che muove un albero a gomiti che a sua volta mette in azione un generatore che produce elettricità.

• Il gas caldo, poi, viene mosso dal movimento del pistone nella zona fredda della camera, dove si comprime e viene spostato nuovamente nella zona calda dal movimento del secondo pistone.


• Questo tipo di motore, a ciclo chiuso e a combustione esterna, raggiunge efficienze del cinquanta per cento e oltre.

• È molto più silenzioso, perché non c'è nessun tipo di esplosione e di facile manutenzione.

• Si può usare il calore del sole al posto dei combustibili tradizionali per riscaldare la camera, cosa che eliminerebbe anche ogni emissione inquinante.


Il pistone in basso spinge l'aria verso il pistone in alto, che quindi si sposta, lasciando entrare l'aria

l'aria si scalda, si espande,e quindi "torna" indietro verso il pistone in basso, che quindi si sposta;


lo spostamento del pistone in basso fa arrivare l'aria calda a contatto col dissipatore di calore, che quindi si raffredda, e di conseguenza si contrae, facendo spostare verso destra il pistone in alto;

40La Microcogenerazione – Il motore Stirling

lo spostamento verso destra del pistone in alto, aiutato dall'inerzia accumulata dal volano, fa sì che il perno, continuando a girare, faccia abbassare il pistone inferiore, spingendo di nuovo l'aria verso il pistone in alto, e il ciclo ricomincia.

La Microcogenerazione – Celle a Combustibile

CELLE A COMBUSTIBILE• Celle a combustibile (FC): generatori

elettrochimici dotati di alta efficienza di conversione elettrica;

• Basse emissioni inquinanti (CO2, NOx, …): infatti H2 + 1/2 O2 ↔ H2O ;

• Adattabilità di taglia (grazie alla modularità);• Continuità dell’erogazione di corrente (a

differenza delle normali batterie);• Varie tecnologie in fase di sviluppo più o meno avanzato, per impianti fissi, mobili, veicoli;


Schema di una cella

ad elettrolita polimerico

H2 + ½ O2 H2O + elettricità + calore

IDROGENO

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

O2

e-e-e-e-H2

H2

H2

H2

O2

O2

H2O

H2O

ARIA

ACQUA

Elettrolita

H+

H+

H+

H+

CatodoAnodo

IDROGENO

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

e-e-

O2O2

e-e-e-e-H2H2H2H2

H2H2H2H2

H2H2H2H2

H2H2H2H2

O2O2

O2O2

H2OH2OH2O

H2OH2OH2O

ARIA

ACQUAACQUA

Elettrolita

H+H+H+

H+H+H+

H+H+H+

H+H+H+

CatodoAnodo


Si possono distinguere quattro tipi fondamentali di cella adattabili alla cogenerazione:

• ad elettrolita polimerico (PEFC); • ad acido fosforico (PAFC); • a carbonati fusi (MCFC); • ad ossidi solidi (SOFC).


• Il grande vantaggio delle celle a combustibile risiede nell’essere dispositivi statici, offrendo così un’affidabilità maggiore ed oneri di manutenzione minori rispetto alle altre soluzioni.

• Esse presentano inoltre un rendimento elettrico molto elevato, silenziosità ed assenza di vibrazioni.

• I problemi fondamentali da superare sono i costi di produzione, ancora troppo elevati, e alcuni problemi di resistenza alla corrosione e/o agli stress termici per le celle ad alta temperatura.

La Microcogenerazione - Esempi

La Microcogenerazione - Esempi

Microcogeneratore a ciclo Stirling: 1.0 kWel, 7.5 13 kW termici

Microcogeneratore a ciclo Otto: 5 kWel, 10.3 kW termici

Alimentazione: Metano, GPL, gasolio e biodiesel;

Possibilità di funzionamento in parallelo fino a sei moduli.

La Trigenerazione

La Trigenerazione

La Trigenerazione - Definizione

Impianti di produzione energetica, cogenerativi, in cui si ha contemporaneamente:

• energia elettrica• energia termica• energia frigorifera

In questo modo l’impianto viene utilizzato per l’intero arco dell’anno.


La trigenerazione comporta quindi che l’impianto dicogenerazione deve essere integrato:

• con cicli frigoriferi / pompa di calore

• con macchine frigorifere ad assorbimento

La Trigenerazione - Esempio

La Generazione distribuita

La Generazione Distribuita


• Produzione centralizzata: centrali termoelettriche a vapore, cicli combinati

• Produzione industriale (ee/calore): turbine a gas, turbine a vapore, MCI, cicli combinati

• Produzione da impianti a FER: biomasse, RSU, biogas da discarica

• Settore civile e terziario: motori, microturbine, fotovoltaico, solare termico, eolico, celle a combustibile


• Generazione elettrica di tipo locale

• Distribuita agli utilizzatori locali

• Eventualmente connessa alla rete di distribuzione

• Impianti < di 10 MW

60La Generazione distribuita


• Possibilità di evitare i costi di trasmissione e distribuzione

• Migliora l’affidabilità e la qualità della fornitura elettrica

• Elevata efficienza energetica nell’uso dei combustibili fossili (in assetto cogenerativo)

• Possibilità di utilizzo di fonti energetiche rinnovabili


• la GD può fornire un’alimentazione ininterrotta ed affidabile. La capacità di ridare potenza in tempi brevi ad una rete utente o isole di distribuzione, porta ad una maggiore sicurezza del sistema, riducendo i rischi e gli effetti di possibili blackout.

• la domanda crescente di energia, accompagnata dalla necessità della sicurezza della fornitura elettrica e dalla riduzione dei gas serra trova nella GD e nelle tecnologie a fonte rinnovabile quelle componenti essenziali per lo sviluppo sostenibile

Cogenerazione – Convenienza economica

ESEMPIO


Centrale di cogenerazione ad asservimento di un centro commerciale con una superficie di circa 14000 mq.

Ipotesi di funzionamento del centro 4.000 ore annue.

POTENZE RICHIESTE DAL CENTRO• Potenza Elettrica 400 Kw• Potenza Termica 1.2 Mw• Potenza Frigorifera 1.1 Mw


INVESTIMENTO CENTRALE TRADIZIONALE• Centrale Termica• Centrale Frigorifera• Cabina di trasformazione elettricaTOTALE 350.000 €

INVESTIMENTO CENTRALE COGENERAZIONE• Centrale di Trigenerazione• Cabina di trasformazione per parallelo reteTOTALE 475.000 €

SURPLUS 125.000 €


IMPIANTO TRADIZIONALE TRIGENERAZIONE

costo kWhe = 0.120 €/kWh

costo kWhe = 0.0625 €/kWh

costo kWht = 0.055 €/kWht

costo kWht = 0.032 €/kWht

costo kWhf = 0.043 €/kWhf

costo kWhf = 0.0213 €/kWhf

costo gas = 0.51 €/mc costo gas = 0.26 €/mc


SPESA MEDIA ANNUALE CON SISTEMA TRADIZIONALE• energia termica 100.000 €• energia frigorifera 45.000 €• energia elettrica 135.000 €

TOTALE 280.000 €

SPESA MEDIA ANNUALE CON TRIGENERAZIONE• energia termica ed elettrica 140.000 €• energia termica a supporto 45.000 €• energia frigorifera a supporto 40.000 €

TOTALE 225.000 €


• SURPLUS INVESTIMENTO 125.000 €

• RISPARMIO SPESA ENERGETICA 55.000 €

• RITORNO DELL’INVESTIMENTO ANNI 2,3

Grazie per l’attenzioneing. Luigi De Sanctis

[email protected]

tel. 06 30483508

fax 06 30484990

La Cogenerazione

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