Presentazione standard di PowerPoint · Sistemi ibridi e di energy storage Lodi , 23 aprile 2015...
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© Viessmann Werke Sistemi ibridi e di energy storage Lodi , 23 aprile 2015 Mauro Braga Accademia Viessmann
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Sistemi ibridi e di energy storage
Lodi , 23 aprile 2015
Mauro Braga
Accademia Viessmann
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Sistemi ibridi e di energy storage
Trend costo energia primaria con fluttuazioni dei
prezzi nel breve e medio periodo fortemente
oscillanti
fonti energetiche rinnovabilinon sempre prevedibili
nella disponibilità , erogazione e convenienza
Spread crescente tra costi dell’energia primaria e
secondaria
Criteri di scelta progettuale: fattori di influenza
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8,08 8,32 8,57 8,83 9,09 9,37 9,65 9,94
18,5 19,06 19,63 20,22 20,82 21,45 22,09 22,75
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
Gas naturale Energia elettrica
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Sistemi ibridi e di energy storage
soluzioni che consentano di assorbire e distribuire picchi e fabbisogni
Sistemi di energy storage
soluzioni flessibili relativamente alla sorgente da utilizzare in base alle condizioni di utilizzo
Sistemi ibridi
soluzioni che rendono competitivo il produrre energia secondaria localmente
Sistemi di cogenerazione
Criteri di scelta progettuale:
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Sistemi ibridi e di energy storage
soluzioni che consentano di assorbire e distribuire picchi e fabbisogni
Sistemi di energy storage
a soluzioni flessibili relativamente alla sorgente da utilizzare in base alle condizioni di utilizzo
Sistemi ibridi
a soluzioni che rendono competitivo il produrre energia secondaria localmente
Sistemi di cogenerazione
Criteri di scelta progettuale
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Sistemi di energy storageSistemi di storage di energia secondaria
Ice Storage (ghiaccio)
Accumulo inerziale (acqua tecnica)
Bollitore (acqua sanitaria)
Accumulo combinato (diverse fonti)
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Sistemi di storage di energia secondaria Vettore acqua : densità energetica
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Tipo
accumulo
Capacità
kg
Δt
K
Energia
immagazzinata
kWh
Temperatura minima per il
ripristino
°C
Bollitore
acqua
sanitaria
10.000 40 465> 55
ΔT 10 rispetto a temp utlizzo
Accumulo
inerziale10.000
65
(da 15 a 80°C)755
45 °C
(ΔT 10 rispetto a temp utlizzo
min 35°C)
Ice storage 10.000 0
cristalizzazione> 930
>10 °C
ΔT rispetto alla temperatura di
cristallizzazione
Tipo accumulo
Capacità
kg
Δt
K
Energia da
immagazzinare
kWh
Temperatura minima per
il ripristino
°C
Bollitore acqua
sanitaria77.519
15
(da 55 a 40 °C)1.000
> 55
ΔT 10 rispetto a temp
utlizzo
Accumulo
inerziale25.839
45
(da 80 a 35°C)1.000
> 45
ΔT 10 rispetto a temp
utlizzo min 35°C
Ice storage 10.7520
cristalizzazione1.000
>10
ΔT rispetto alla
temperatura di
cristallizzazione
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Sistemi di storage di energia secondaria
Vitocell 100 CVA – 200 lt.
Dispersioni per mantenimento
in funzione (secondo DIN EN 12897 :2006)
Qst a una differenza di temperatura di 45 K
1,7 kWh/24h
Perdite per dispersione: Importanza della qualità della coibentazione e dimensioni
Vitocell 100 CVA-A – 200 lt.
Dispersioni per mantenimento
in funzione (secondo DIN EN 12897 :2006)
Qst a una differenza di temperatura di 45 K
1,04 kWh/24h
Aumento efficienza= 1-(1,04/1,7) = 39 %
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Celle a vuoto
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Storage energia secondaria
Sistema Vitocell + Vitotrans 353
Accumulo ad elevato livello energetico per
produzione acqua calda sanitaria
Possibilità di alimentazione da più sorgenti
termiche (biomassa, gas, solare….)
Significativi quantitativi di acqua calda
sanitaria in breve tempo
Rischio legionella evitato
Superfici tecniche impegnate ridotte così
come le superfici disperdenti
Combinazione accumulo inerziale e produzione acqua calda sanitaria
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Flessibilità abbinamento capacità da 400 a 950 litri e portata istantanea da 25 a 68 l/min
Vitocell-E + Vitotrans 353
Capacità 400 600 750 950
Vitocell
100-E
PZS
25 l/min
PZS
25 l/min
PZM
48l/min
PZS
25l/min
PZM
48l/min
PZS
25l/min
PZM
48l/min
Vitocell
140-E
PZS
25 l/min
PZS
25 l/min
PZM
48l/min
PZS
25l/min
PZM
48l/min
PZS
25l/min
PZM
48l/min
Vitocell
160-E
PZS
25l/min
PZM
48l/min
PZS
25l/min
PZM
48l/min
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Sistemi ibridi e di energy storage
a soluzioni che consentano di assorbire e distribuire picchi e fabbisogni
Sistemi di energy storage
soluzioni flessibili relativamente alla sorgente da utilizzare in base alle condizioni di utilizzo
Sistemi ibridi
a soluzioni che rendono competitivo il produrre energia secondaria localmente
Sistemi di cogenerazione
Criteri di scelta progettuale
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Sistemi ibridi
Sistemi ibridi sono tutti quelli che consentono lo
switch da una fonte ad un´altra e consentono :
Flessibilità di alimentazione
Affidabilità del servizio
Sinergia di tecnologie
Soluzioni che consentono la scelta flessibili e dinamica della fonte
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Sistemi ibridi Impianto con pdc, caldaia a gas metano o gpl e fotovoltaico
Esempio di impianto con
- pompa di calore
- caldaia a gas a condenszione
- impianto fotovoltaico
Vitocaldens 222 23-
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esaminiamo l´impiego di
Gas fonte primaria fossile
Energia elettrica fonte secondaria
Energia naturale dell´aria fonte rinnovabile
Energia solare fotovoltaica fonte rinnovabile
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Sistemi ibridi
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Schema impianto con pompa di calore, caldaia a gas metano o gpl e fotovoltaico
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Premessa: Analisi Tariffe elettriche
Tariffa D1 agevolata per PdC e consumi domestici,
costo unitario dell‘energia costante non soggetto a
progressività sui consumi
Condizioni di accesso alla tariffa D1
La tariffa D1 è concessa solo per sistemi in sola PdC
Il generatore a gas può essere solo di back-up
Integrazione consentita con generatori a biomassa
Sistemi ibridiStrategia di controllo
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Po
ten
za (
%)
Temperatura esterna (°C)
Carico termico edificio
Pompa di calore
Generatore ausiliario
Punto di biv.
Limite riscaldam.
Funzionamento Alternativo
Sistemi ibridi: pompa di calore e caldaiaStrategie di controllo: funzionamento alternativo o parallelo
Funzionamento Parallelo
Po
ten
za (
%)
Temperatura esterna (°C)
Carico termico edificio
Pompa di calore
Generatore ausiliario
Punto di biv.
Limite
riscaldam.
La caldaia sostituisce la Pdc per
economicità di esercizio
La caldaia integra la Pdc per
soddisfare la richiesta termica
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Potenza in riscaldamento della
pompa di calore
Fabbisogno di caloreimpianto
Punto di bivalenza
70
Temperatura esterna in °C
Pote
nza
in %
Con temperature inferiori al punto di bivalenza è necessario valutare una fonte energetica integrativa,
che può integrare (funz.parallelo) o sostituire (funz. alternativo) la pompa di calore
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Sistemi ibridi: pompa di calore e caldaiaStrategia di controllo: inserimento generatori
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Esempio*: Tariffa elettrica 28 cent/kWh
COP di pareggio= 3
T_BIV= 3°C
Esempio*: Tariffa elettrica 20 cent/kWh
COP di pareggio= 2,2
T_BIV= - 4°C
*T mandata 45 °C
Costo combustibile fossile 9,13 cent/kWh
Sistemi ibridi: pompa di calore e caldaia
Strategia di controllo
Temperatura di bivalenza variabile sulla base dei costi energetici
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Sistemi ibridi : pompa di calore e caldaiaStrategia di controllo
Quota di copertura al variare del prezzo dell’energia
Prezzo energia elettrica
28 Cent/kWh
Fasce orarie feriali/diurne:
Fasce orarie festive/serali:
Prezzo energia elettrica
20 Cent/kWh
Aumenta la copertura energetica
fornita dalla PdC
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Gestione ottimizzata del sistema:
Considera in tempo reale i costi
dell’energia termica ed elettrica
Monitora la produzione FV per dare
precedenza alla pdc
Importante è dimensionare
correttamente l’accumulo inerziale per
ottimizzare il time-shift
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Sistemi ibridi: pompa di calore e caldaia
Strategia di controllo
Integrazione energia da fotovoltaico
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Produzione conveniente con il sistema e
la fonte energetica più efficiente
Elevato comfort in tutte le condizioni di
esercizio grazie all‘accumulo
Sistemi ibridi con pompa di calore Conclusioni
Management energetico ottimizzato e
affidabilità di sistema
ACQUA CALDA SANITARIA
DIMENSIONAMENTO
FLESSIBILITÀ/SICUREZZA
PdC ottimizzata per le temperature esterne medie:
maggiore efficienza di funzionamento
minori costi di investimento e operativi
(contatore elettrico, superficie FV, consumi…)
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Sistemi ibridi combinati con energy storage innovativi
Accumuli ad elevata densità energetica in abbinamento a pompa di calore
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Ice Storage
Accumuli ad elevata densità energetica in abbinamento a pompa di calore
Miscela acqua e ghiaccio come sorgente fredda di cicli termodinamici
Accumulo ad elevata densità energetica per mesi intermedi ed estivi
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Componenti del sistema
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Capacità energetica di cristallizzazione
Contenuto 10 m3 di acqua
10.000 Kg x 93 Wh/Kg = 930.000 Wh
Capacità energetica acqua calda
Contenuto 10 m3 di acqua
10.000 Kg x 1,16 Wh/Kg x Δt 80 = 928.000 Wh
Energeticamente equivalente a circa 100
litri di gasolio o m3 di metano
Ice StorageAccumulo ad elevata densità energetica
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GhiaccioAcqua + ghiaccio
Acqua
Liquido - vapore
Vapore
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Fonti energetiche della pdc :
Irraggiamento solare
Aria esterna
Terreno
Ice StorageAccumuli ad elevata densità energetica: Schema applicativo
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Vantaggi
Riduzione degli ingombri per stoccare
energia (densità energetica)
Fonte fredda a temperatura costante
(cristallizzazione a temp. costante)
Ottimizzazione ciclo termodinamico
della PdC in un range operativo definito
Combinazione di più sorgenti per
apporti energetici distribuiti
Ice StorageAccumulo ad elevata densità energetica
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esaminiamo l´impiego di
Biomassa fonte rinnovabile
Energia elettrica fonte secondaria
Energia naturale dell´aria fonte rinnovabile
Energia solare fotovoltaica fonte rinnovabile
Sistema ibrido con biomassa
Caldaia a biomassa + pompa di calore sanitario e fotovoltaico
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Esempio di impianto con
- pompa di calore x acqua sanitaria
- caldaia a biomassa a legna
+ impianto fotovoltaico
Vitoligno 200 S e Vitocal 161
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Sistema ibrido con biomassa
Vsp ( litri ) =15*QN*TB*(1-0.3*QH/Qmin
Vsp = Capacità del serbatoio
QN = kW nominale
Qmin = kW minima
TB = h durata carica
QH = kW edificio
Dimensionamento accumulo inerziale per biomassa legnosa
Norma di riferimento EN-UNI 303-5 2012
Energia generatore QN x TB ( kWh )
Cap
acit
à a
ccu
mu
lo
Esempio:
TB = 6h (legno duro)
QN = 20 kW
Qmin = 10kW
QH = 8 Kw
15 x 20 x 6 (1-0,3 x 8/10) = 1368 lt.
quindi si opterà per 1500 lt.
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Sistema ibrido con biomassa: Dimensionamento accumuli inerziali
Generatori ad alimentazione manuale
Generatori ad alimentazione automatica
Vsp ( litri ) =15*QN x TB x (1-0.3*QH/Qmin)
Vsp = Capacità del serbatoio
QN = kW nominale
Qmin = kW minima
TB = h durata carica
QH = kW edificio
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Norma di riferimento EN-UNI 303-5 2012
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Schema impianto ibrido con biomassaSchema biomassa, pompa di calore sanitaria e fotovoltaico
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Sistema ibrido con biomassaConclusioni
Produzione acqua sanitaria con pompa di calore nel periodo estivo o in presenza di esubero produzione energia elettrica
Autoconsumo produzione da fotovoltaico
Possibilità di shift time
Stoccaggio energia legnosa sotto forma termica
Aumento autarchia
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Sistema ibrido con biomassa
Caldaia a biomassa, solare termico, accumulo inerziale per produzione sanitaria
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esaminiamo l´impiego di
Biomassa fonte rinnovabile
Energia elettrica fonte secondaria
Energia naturale dell´aria fonte rinnovabile
Energia solare fotovoltaica fonte rinnovabile
Vitoligno 300 C
Vitosol 100
Vitocell 100-E + Vitotrans 353
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Sistema ibrido con biomassa
Riduzione delle emissioni inquinanti in
atmosfera con accumulo termico
Obbligatorio secondo UNI-EN 303-5 2012
sia per i generatori automatici che a
caricamento manuale
Accumulo inerziale effetti su Emissioni inquinanti e accumulo termico
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Classe
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Classe
4
Classe
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Classe
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Classe
4
Classe
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Classe
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Classe
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Classe
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Pn <= 50 5000 150 150
50 < Pn <= 150 2500 100 150
150 < Pn <= 500 1200 100 150
Pn <= 50 3000 100 150
50 < Pn <= 150 2500 80 150
150 < Pn <= 500 1200 80 150
Polveri totali (mg/m3)
Limiti di emissione
AlimentazionePotenza nominale
(kW)
30 75
CO (mg/m3) OGC (mg/m
3)
1200
60
60
4020
Manuale
Automatica 1000
700
500
50
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Schema impianto a biomassa e solare
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Caldaia a biomassa, solare termico, accumulo inerziale per produzione sanitaria
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Sistema ibrido con biomassa
Sfruttamento di due fonti energetiche diverse
per la produzione sanitaria
Impianto a biomassa completamento
automatico
Importante produzione sanitaria
Evitato trattamento legionella
01.0
1.2
012
Muste
rte
xt
/ T
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Conclusioni
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Sistemi di fuel ed energy storage
Stoccaggio di cippato o legna da ardere
Energia primaria disponibile all’utenza
Contenuto idrico della fornitura
Trasporto e movimentazine dell’energia
Autonomia di esercizio
Stoccaggio energia primaria in un impianto di biomassa legnosa
Economia di processo
Ottimizzazione processo di combustione
Aumento efficienza del generatore
Riduzione emissioni inquinanti
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Sistemi di fuel ed energy storage
Contenuto idrico della legna corretto per una
combustione ottimale del generatore
Contenuto idrico minore equivale ad una
densità energetica maggiore
Una diminuzione del contenuto idrico del
10% comporta un aumento di contenuto
energetico pari a 0,6 kWh/Kg.
1 msr di cippato di faggio pesa 750 Kg si
avrà un maggiore contenuto energetico pari
a : 750 kg x 0,6 kWh/Kg = 450 kWh/m3
Biomassa legnosa: Capacità energetica
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Fornitura con automezzo da 100 m3
100 x 450 kWh = 45000 kWh recuperati
Costo medio cippato M 35 25 €/MWh
45.000/1000 MWh x 25 €/MWh = 1125 €
Sistemi di fuel ed energy storageEssicazione del cippato Risparmio economico
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Utilizzo di cascami energetici da cicli di
processo (cogeneratori, impianti ORC,
impianti a vapore, gassificatori, fluidi
tecnologici…)
Ottenuto con insufflaggio di aria calda
Temperatura max dell’aria di essicazione
50°C per evitare degrado termico della
biomassa
Sistemi di fuel ed energy storageBiomassa legnosa Essicazione del cippato
Aria preriscaldata
Ventilatore
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Energia necessaria per l’essicazione di
1 ton di cippato di abete rosso da M50 a M20
3-4 MJ/Kg acqua (3,6 MJ= 1 kWh)
1000 Kg M50 = 500 Kg acqua
1000 Kg M20 = 200 Kg acqua
300 Kg di acqua x 1 kWh = 300 kWh essicazione
Recupero energetico ottenuto da un cascame energetico nobilitando il combustibile «povero»
quindi economico per aumentarne la densità termica e di conseguenza l’energia disponibile
Sistemi di fuel ed energy storageBiomassa legnosa Recupero energetico per essicazione
MJ/Kg ton.
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Densità energetica
Cippato M50 = 2,23 kWh/Kg
Cippato M20 = 3,98 kWh/kg
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Sistemi di fuel ed energy storage
Generatore Viessmann a cippato 2,6 MW
Gruppo ORC da 300 kWe
Essicatore Lauber da 1 MW
Essicazione cippato da >M50 a <M 20
con 0°C esterni
Capacità 80 m3 per 5 box
Tempo medio essicazione 4 giorni
Consumo cippato riduzione >40%
Case history – Nova Levante (BZ) Impianto di teleriscaldamento ed essicazione
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Sistemi ibridi e di energy storage
soluzioni che consentano di assorbire e distribuire picchi e fabbisogni
Sistemi di energy storage
soluzioni flessibili relativamente alla sorgente da utilizzare in base alle condizioni di utilizzo
Sistemi ibridi
soluzioni che rendono competitivo il produrre energia secondaria localmente
Sistemi di cogenerazione
Criteri di scelta progettuale:
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Cogenerazione
Fattori di scelta
8,60 8,86 9,12 9,40 9,68 9,97 10,27 10,58
22 22,66 23,34 24,04 24,76 25,50 26,27 27,06
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Gas naturale Energia elettrica
Fluttuazioni dei prezzi energetici nel
breve periodo possono influenzare la
redditività dell’investimento
(payback time)
Spread tra costi di energia primaria e
secondaria
Primary Energy Saving (PES) elevato rispetto
alla generazione separata
Economicità derivata da lunghi periodi di
funzionamento e contemporaneo
autoconsumo
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Cogenerazione
Celle a combustibile di piccola potenza:
rapporto termico/elettrico molto bilanciato
Tecnologie diversificate PEM e SOFC
Soluzione idonea particolarmente per edifici ad
elevata efficienza energetica
Produzione decentralizzata di calore ed elettricità con celle a combustibile
Economicità legata a significativi periodi di
esercizio e contemporaneo autoconsumo
Fondamentale considerare forme di accumulo
localizzate (elettrico e termico)
500 m3 metano/ a 4.000 m3 metano/ a
4.000 kWh elettricità/ a 4.000 kWh elettricità/ a
Fabbisogno Energia Termica
Fabbisogno Energia Elettrica
Nuovo Esistente
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Cogenerazione
Motori a combustione di piccola/media taglia:
produzione molto sbilanciata sul termico
Applicazioni con elevati fabbisogni termici
rispetto ai fabbisogni elettrici
Possibilità di impiego nella riqualificazione di
impianti esistenti ad alta temperatura
Possibilità di diversi combustibili:
Metano
GNL
Gpl
Biogas
Produzione decentralizzata di calore ed elettricità con motori a combustione
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Cogenerazione
Schema impianto
Potenziali recuperi termici:
- Circuito a bassa temperatura
- Esubero produzione energia termica
- Accumulo inerziale (Shift time)
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Sistemi ibridi e di energy storage
Lodi , 23 aprile 2015
Mauro Braga
Accademia Viessmann
Grazie per l’attenzione
