LA MICROCOGENERAZIONE E IL SISTEMA ENERGETICO

Microcogenerazione e trigenerazione:

come trasformare le opportunità in un mercato reale

POLYGEN – Verona - SolarExpo

Stefano CampanariDipartimento di Energetica

Politecnico di Milano

20 Aprile 2007, Verona

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Stefano Campanari

Cogenerazione e micro-cogenerazione

� La potenza media degli impianti cogenerativi italiani si assesta intorno ai 10 MWel(comprendendo alcune centinaia d’impianti basati su motori a c.i. di potenza media intorno a 1 MWel, impianti a turbogas e cicli a vapore a contropressione prevalentemente da 5-10 MWel, cicli a vapore a condensazione/spillamento ed infine grandi impianti a ciclo combinato). �Il contributo attuale degli impianti di cogenerazione di piccola scala (inferiore a 1000 kWel) risulta scarso, ma è su questa fascia di potenza e sul concetto collegato di “generazione distribuita” che si è concentrato negli ultimi anni parte dell’interesse degli operatori del settore energetico

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

MWe

Austr

ia

Belgi

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Fran

ce

Germ

any

Italy

Japa

nNet

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nds

Norway

Sweden

Gas Engines

Gas Turbines

Combined Cycles

Steam Turbines

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Stefano Campanari

La Micro-cogenerazione : premessa

La definizione attuale di microcogenerazione prende avvio dalla Direttiva Europea 2004/8/EC sulla cogenerazione, e qualifica come:

• “micro-cogenerazione” tutte le applicazioni con potenza elettrica installata inferiore a 50 kWel.

• “cogenerazione di piccola scala” le applicazioni con Pel < 1 MWel.

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Stefano Campanari

Scenario della micro-cogenerazione - 2

Central power station Step-uptransformer

ReceivingStation

DistributionSubstation

DistributionSubstation

Commercial

Industrial

Commercial

Residential

Gas Turbine

RecipEngine

RecipEngine

Fuel cellPhoto

voltaics

FlywheelBatteries

Fuel Cells

Distribuzione e generazionedistribuita

6-25 kV

AT: 130-380 kV

DistributionSubstation

Linee di distribuzione(AT 130-150 kV,

MT 10-20 kV,BT 380/220 V)

Micro-turbine

Rete di stabilimentoes. 380 V trifase

Stazioni di trasformazione

AllacciamentoAT (P>5-10 MW),

MT (P>100-300 kW), BT (P minori)

Gas Turbine

Cabina di ricezione

Linee di trasporto primario o elettrodottiItalia ≈40.000 km; connessioni internazionali (≈16Ita)

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Stefano Campanari

Scenario della micro-cogenerazione - 3

CENTRALE ENEL

0,691 Tepgas naturale

0,138Tep

0,862Tep

CALORE UTILE4342 Mega Joules

SISTEMA CONVENZIONALE COGENERAZIONE

295 gNOx

440 gSOx

87 gHC

371 kgCO2

7900 gNOx

14681 gSOx

289 gHC

2712 kgCO2

1 Tepmix combustibili

8195 gNOx

15121 gSOx

376 gHC

3083 kgCO2

CALDAIE

1823 gNOx

0 gSOx

376 gHC

1620 kgCO2

48 gNOx

114 gSOx

6 gHC

38 kgCO2

1781 gNOx

114 gSOx

382 gHC

1658 kgCO2

MICROCOGENERATORE AVANZATO

3617kWh 3617

kWh0.0136 Tep

mix combustibili

3907Mega Joules 435 Mega Joules

CALDAIAAUSILIARIA

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Stefano Campanari

Tecnologie avanzate ed evoluzionedella micro-cogenerazione

•Quali tecnologie avanzate?

�Celle a combustibile (Fuel Cell, FC)

�Microturbine a gas

�Motori Stirling

�Cicli ibridi (il futuro?)

�Altre tecnologie lontane dalla commercializzaizone (termofotovoltaico, effetto Peltier..)

•Per la trigenerazione:

�Integrazione con cicli frigoriferi / pompa di calore

�Integrazione con macchine frigorifere ad assorbimento

•La tecnologia consolidata sfrutta motori alternativi a ciclo Otto, oggi riproposti anche per taglie di pochi kW con soluzioni innovative.

Per tutte, nel breve e medio termine, si può pensare ad

una alimentazione per lo più a gas naturale (“metano”)

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Stefano Campanari

Tecnologie per micro-cogenerazione a gas naturale

•I costi attuali delle nuove tecnologie (tutte, tranne i MCI di taglia medio-grande!) risentono di volumi produttivi ancora molto limitati.

•Per le FC solo in prospettiva di medio termine si ritengono raggiungibili costi accettabili.

0 1 10 100 1000 104 105 1060

10

20

30

40

50

60

70

80

Celle a combustibile

MCFC

Mot.Stirling

Cicli ibridi con FC + turbina a gas

TPV

Micro-turbine a gas

Ciclicombinati

USC e IGCC

TG AD

TV

TG HD

PAFCSOFC

PEM

Motori a c.i

Taglia impianto [kW]

Ren

dim

ento

ele

ttric

o, %

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Stefano Campanari

I vantaggi della micro-cogenerazione - I

1) Vantaggi di risparmio energetico

� Come noto, il processo cogenerativo può consentire risparmi energetici significativi rispetto alla generazione separata dei due beni energetici prodotti dalla cogenerazione, vale a dire energia elettrica e calore.

� A seconda delle applicazioni, il tipo di “motore” più idoneo può cambiare; l’importante è che il suo utilizzo consegua un risparmio di energia, quantificabile con la nota espressione dell’ “Indice di Risparmio Energetico”(IRE o PES –primary energy saving index), recentemente ripresa dal DL 8 feb. 2007, n. 20 (attuazione direttiva 2004/8/CE):

Nota: il solo rendimento elettrico di per sé non conta (ad es. anche con ηel=10%, insieme ad un corretto recupero termico, si può avere IRE positivo)

100)QE

E1(PES

refth,

rec

refgrid,refel,

el

fuel×

+×

−=

ηηη

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Stefano Campanari

Potenziale di risparmio energetico

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Rendimento termico, %

Ren

dim

ento

ele

ttric

o, %

Micro-turbine a gas (Cap. 4)

Motori a combustione interna (Cap. 3.1)

Celle a combustibile ad acido fosforico e PEM (Cap. 5.2 e 5.3)

Cicli ibridi con celle a combustibile + turbina a gas (Cap. 5.6)

Celle a combustibile MCFC e SOFC (Cap. 5.4 e 5.5)

Motori Stirling (Cap. 3.2)

Sistemi TPV (Cap. 6.1)

IRE=0 scenario convenzionale

IRE=0 scenario avanzato

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

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Rendimento termico, %

Ren

dim

ento

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o, %

Micro-turbine a gas (Cap. 4)

Motori a combustione interna (Cap. 3.1)

Celle a combustibile ad acido fosforico e PEM (Cap. 5.2 e 5.3)

Cicli ibridi con celle a combustibile + turbina a gas (Cap. 5.6)

Celle a combustibile MCFC e SOFC (Cap. 5.4 e 5.5)

Motori Stirling (Cap. 3.2)

Sistemi TPV (Cap. 6.1)

IRE=0 scenario convenzionale

IRE=0 scenario avanzato

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

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Stefano Campanari

I vantaggi della micro-cogenerazione - II

2) Vantaggi di riduzione delle emissioni

2500

3000

3500

4000

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

Business as usualCommitment

Mt of CO2

Year

15 %

Kyoto protocol and UE emission gap

Riduzione delle emissioni globali: CO2 (proporzionale al risparmio energetico)

Riduzione delle emissioni globali: NOx, CO, HC, polveri, facilmente inferiori rispetto alle centrali tradizionali

La micro-cogenerazione può puntare a motori caratterizzati da emissioni minori rispetto alle caldaie che sostituisce.

3) Altri vantaggi:�Allevia i problemi di saturazione delle grandi linee di trasporto elettrico;

�può contribuire all’aumento di affidabilità e qualità della rete (rischio black-out);

�può fornire occasione di ingresso sul mercato di nuovi operatori..

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Stefano Campanari

Trigenerazione- principi generali

0

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30

45

60

75

90

105

mesi

Car

ico

(% d

i pic

co te

rmic

o)

Domanda termica

Domanda frigorifera

Domanda elettrica

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

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mesi

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(% d

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co te

rmic

o)

Domanda termica

Domanda frigorifera

Domanda elettrica

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

• La trigenerazione è la produzione combinata di energia elettrica, calore e freddo• Trova applicazione per utenze caratterizzate dalla compresenza delle 3 richieste

energetiche, che possono presentarsi sia separatamente sia contemporaneamente• Scopo: aumentare il fattore di utilizzo dell’impianto (la redditività)

• Si può realizzare mediante (frigoriferi e pompe di calore)� gruppi a compressione: tradizionalmente impiegati, costi di impianto più

bassi� gruppi ad assorbimento: soluzione energeticamente efficiente quando

funzionano con il calore cogenerato, costi più elevati

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Stefano Campanari

Diffusione della micro-cogenerazione: Che cosa manca?

Alcuni esempi:

�Semplificazioni iter autorizzativi: ad esempio, eliminazione per i micro della necessità di creare una “officina elettrica” e relativi rapporti con UTF

�Semplificazioni interfaccia rete: ad esempio, standardizzazione e semplificazione di protezioni e sistemi di misura richiesti, evitando duplicazioni con i componenti già esistenti sulla macchina

�Bassi costi dei servizi di rete

�Fattori di “riconciliazione” nella cessione di energia elettrica alla rete non punitivi per i piccoli e microcogeneratori

�Introdurre incentivi che riconoscano i benefici ambientali dellamicrocogenerazione

��Sviluppare una normativa quadroSviluppare una normativa quadro di riferimento per agevolare la diffusione della microcogenerazione

SC1

Diapositiva 12

SC1 La procedura per diventare titolare diuna “officina elettrica”, con obbligo di scritture e di vidimazioniannuali in appositi uffici, sfianca il normale cittadino, poi ogniintervento di manutenzione sulla parte elettrica che richiedala rottura dei sigilli fiscali comporta il costo e il tempo persoper la presenza fisica dell’addetto.Stefano; 19/04/2007

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Stefano Campanari

L’iniziativa normativa UNI-CTI

A partire dal marzo 2006, il Comitato Termotecnico Italiano (CTI) ha costituito un gruppo di lavoro “Microcogenerazione” (SC4-GC405) che ha avviato lo sviluppo di una normativa tecnica UNI dedicata a queste tecnologie.

La normativa nasce per rispondere alla necessità, prevista già dalla Legge 239/2004 (Legge Marzano), di supportare i decreti attuativi sulla incentivazione e semplificazione delle procedure autorizzative per i sistemi di piccola cogenerazione.Il gruppo (coordinato dal prof. P.R. Spina – Università di Ferrara) ha suddiviso le attività in varie parti, secondo sottogruppi:• GL1: INTERFACCIA ELETTRICA (coord. G. Dell’Olio, GSE)• GL2: INTERFACCIA TERMICA (coord. V. Annoscia, ISPESL)

• GL3: INTERFACCIA COMBUSTIBILE (coord. R. Stella, Assotermica / Riello)

• GL4: EMISSIONI (coord. S. Comparato, CPL)• GL5: LOCALIZZAZIONE E TAGLIE (coord. R. Stella, Assotermica / Riello)

• GL6: RAPPORTI CON LE ISTITUZIONI (coord. G. Pilati, Energia Nova)

• GL7: EFFICIENZA (coord. E. Macchi, Politecnico di Milano)

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Stefano Campanari

L’iniziativa normativa UNI-CTI - 2

Il GL “EFFICIENZA” sta mettendo a punto una norma rivolta in particolare alla misura e verifica dell’efficienza energetica dei sistemi di micro-cogenerazione. Si ha infatti che:

• La definizione dei minimi requisiti energetici di un sistema di micro-cogenerazione fa riferimento al funzionamento reale medio annuo del sistema e richiede il raggiungimento di un valore minimo di un indice (IRE) che valuta il risparmio energetico conseguito. • La verifica ex-post del soddisfacimento di questo requisito è dispendiosa e non giustificata soprattutto per impianti di taglia micro : ogni sistema dovrebbe essere munito di tre contatori “fiscali” dedicati -del gas o del combustibile utilizzato, di elettricità e di calore-, di cui solo il secondo dovrebbe essere presente con la vigentelegislazione (defiscalizzazione combustibile, officina elettrica, ecc.) .

Scopo della normativa è allora predisporre una metodologia di verifica ex-ante dei meriti energetici di un sistema di micro-cogenerazione, che consenta di qualificare le prestazioni energetiche con una serie di prove sperimentali condotte in laboratorio da un ente indipendente. Una volta certificato come “ad alta efficienza” il sistema dovrebbe potere essere installato senza particolari oneri di verifica energetica a posteriori.

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Stefano Campanari

L’iniziativa normativa UNI-CTI - 2

La normativa in fase di sviluppo per la parte “efficienza” prevede la classificazione di diversi tipi di sistema, in particolare:

� sistemi dotati di accumulo termico

� sistemi con regolazione on-off di tipo termico-segue

� sistemi con regolazione on-off di tipo elettrico-segue

� sistemi con regolazione modulante, di tipo termico-segue

per i quali vengono previsti diversi cicli di prova, sulla base dei quali vengono ricostruite le prestazioni medie annuali prevedibili del sistema, ed in particolare il valore di IRE o PES annuale.

� I cicli di prova sono del tipo accensione- mantenimento carico (al 100%, e a valori intermedi fino al carico minimo per i sistemi modulanti) – spegnimento;

� Per i sistemi dotati di accumulo si prevedono invece cicli di 24 h rappresentativi di “giornate tipo” invernali, di mezza stagione ed estive, con o senza produzione di freddo (per il caso dei sistemi trigenerativi).

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Stefano Campanari

Conclusioni

La possibilità di disporre di sistemi di micro-cogenerazione affidabili e dai costi di impianto sufficientemente contenuti, può indurre nel futuro forti mutamenti nell’impiantistica e nel modo di approvvigionarsi di elettricità di settori quali il civile e terziario: non più utenti passivi di una rete elettrica alimentata da grandi unità di produzione centralizzata, ma utenti attivi, che scambiano energia, a volte acquistandola, a volte vendendola, con una rete elettrica cui s’interfaccia una molteplicità di operatori.

Lo scenario tecnologico che si prospetterebbe vedrebbe l’inserimento nelle aree metropolitane di un gran numero di “centraline” destinate alla cogenerazione ad alta efficienza, basate sull’impiego di combustibili puliti come il gas naturale (o, se mai fosse disponibile, l’idrogeno), che soddisfino una porzione significativa dei consumi energetici delle utenze.

Per la sua diffusione, è necessario che questa tecnologia – potenzialmente “energy and emission saving” - non venga ostacolata da un quadro autorizzativo e tariffario disincentivante.

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Stefano Campanari

Per maggiori informazioni….

…abbiamo scritto un libro:

“La microcogenerazione a gas naturale”

(autori E. Macchi, S. Campanari, P. Silva –Dipartimento di Energetica del Politecnico di Milano, ed. Polipress)

ISBN 8873980161– www.polipress.polimi.it

� analisi delle tecnologie per micro-cogenerazione e trigenerazione

� effetti delle condizioni operative (temperatura e pressione ambiente, carichi parziali)

� quadro delle proposte di mercato

� prospettive di evoluzione

� parametri economici (costi investim. e O&M) e ambientali (emissioni)

� schemi impiantistici cogenerativi e bilanci energetici di riferimento