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Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia.

Le esperienze del Laboratorio Energia & Ambiente Piacenza (LEAP)

Ing. Manuele Gatti

LABMEETING

Ravenna 2014 - Fare i conti con l’ambiente

Mercoledì 21 maggio 2014

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Sommario • LEAP: chi siamo e attività

• Cogenerazione: principi, tecnologie, quadro normativo, statistiche

• Casi di studio LEAP sulla cogenerazione

1. Potenziale Emilia Romagna

2. Centrale biomasse Borgonovo

3. Castello di Zena

4. Cogenerazione da olio vegetale

5. Progetto CUBIS

• Laboratorio di microcogenerazione

• Software DCOGEN

• Conclusioni

Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP

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Il Consorzio LEAP LEAP, Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza, è un consorzio nato nel 2005 su iniziativa della sede piacentina del Politecnico di Milano.

È partecipato da:

• Polo Territoriale di Piacenza del Politecnico

• 4 Dipartimenti del Politecnico di Miano

• Comune di Piacenza

• Provincia di Piacenza

• Fondazione di Piacenza e Vigevano

• A2A S.p.A.

• Iren Ambiente S.p.A.

• Unical AG S.p.A.

Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP

1. Dip. di Energia

2. Dip. di Chimica, Materiali e Ing. Chimica

3. Dip. di Elettronica, Informazione e Bioingegneria (DEIB)

4. Dip. di Ingegneria Civile e Ambientale (DICA)

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Le attività del LEAP

Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP

Ricerca in 6 settori: 1. materia ed energia da rifiuti, residui e biomasse; 2. generazione di energia termica ad alta efficienza; 3. termoidraulica per impianti nucleari innovativi; 4. tecnologie per lo sfruttamento dei combustibili fossili e cattura della CO2; 5. energie rinnovabili ed efficienza energetica; 6. emissioni gassose, polveri fini e qualità dell’aria.

Consulenza e servizi: 1. analisi modellistiche e simulazioni di impianti energetici; 2. prove su impianti: misure di temperatura in camere combustione, misurazione di

particolato fine e nano particelle in atmosfera e in flussi convogliati, misurazione di concentrazioni di inquinanti in flussi gassosi.

Laboratori sperimentali: 1. Heat_Box: valutazione delle prestazioni di caldaie con potenza fino a 100 kW; 2. Wind_Box: prove fluidodinamiche su condotti da fumo per generatori di calore di

piccola e media taglia; 3. CO2_Box: determinazione delle proprietà termodinamiche di miscele a base di CO2

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Attività sperimentali del LEAP

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Prove su impianti:

Laboratori sperimentali: LEAP è certificato

UNI EN ISO 9001:2008

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Cogenerazione: il principio

Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP

Fonte: www.cogen-challenge.org

COGENERAZIONE = ELETTRICITA’ + CALORE

Ogni ciclo termodinamico che converte calore (Q) in elettricità (E), per il Secondo Principio della Termodinamica deve scaricare in ambiente una parte del calore introdotto nel ciclo. L’idea base della cogenerazione è recuperare in parte o totalmente questo calore, originariamente di “scarto”, come effetto utile. In questo modo E e Q sono generati simultaneamente all’interno di un unico impianto

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Cogenerazione: configurazioni possibili

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Fonte: www.cogen-challenge.org

Altre definizioni:

•Piccola cogenerazione: P<1MWel

•Microcogenerazione: P<50kWel

•Trigenerazione: produzione simultanea di energia elettrica, calore e freddo

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Cogenerazione: tecnologie a) Ciclo combinato in assetto cogenerativo

b) Ciclo a vapore a contropressione

c) Ciclo a vapore a condensazione con estrazione di vapore

d) Turbina a gas con recupero di calore

e) Motore a combustione interna

f) Microturbine a gas

g) Motori Stirling

h) Fuel Cells (Celle a combustibile)

i) Motori a vapore

j) ORC: Cicli Rankine a fluido organico

k) Ogni altro tipo di tecnologia o combinazione di tecnologie che producano simultaneamente, in un unico processo, energia termica ed elettrica e/o energia meccanica (in output)

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Cogenerazione: esempi di tecnologie

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Motore GE Jenbacher J616 GS a biogas, potenza 2 MWel

Package Ecowill con motore a gas naturale, potenza 1 kWel

Package Whispergen con motore Stirling, potenza 1,2 kWel

Microturbine a gas Capstone, potenza 30 kWel

Modulo PEM Ballard Power System da 250 kWel – Bewag Treptow, Berlino

Macchina frigorifera ad assorbimento Century da 70 kWfr

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Cogenerazione: quadro normativo

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•Dlgs 79/99: definizione esplicita del concetto di cogenerazione: "Cogenerazione è la produzione combinata di energia elettrica e calore alle condizioni definite dall'Autorità per l'energia elettrica e il gas, che garantiscano un significativo risparmio di energia rispetto alle produzioni separate."

•Delibera AEEG 42/02: un impianto di produzione combinata di energia Elettrica e Termica (Calore) è definito COGENERATIVO solo se soddisfa due requisiti qualitativi

I rendimenti elettrici di riferimento sono differenziati in base a combustibile e taglia dell’impianto.

•Direttiva 2004/8/CE del Parlamento europeo: introduce il concetto di Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) se viene soddisfatto il requisito sull’indice PES (concettualmente coincidente con l’IRE)

I rendimenti elettrici di riferimento sono differenziati in base a combustibile e all’anno di entrata in esercizio dell’impianto.

•Dlgs 20/07: recepisce la direttiva UE 2004/8/CE stabilendo i criteri della delibera AEEG 42/02. In attesa dei decreti attuativi, parifica la CAR alla cogenerazione effettuata nel rispetto delle specifiche tecniche definite dall'AEEG nel 2002 con validità fino al 31.12.2010.

Le metodologie applicative previste dal Dlgs 20/2007 sono contenute nel Dm 4 agosto 2011, entrato in vigore il 19 settembre 2011.

IRE ≥ 10% LT ≥ 15%

PES ≥ 10% PES ≥ 0% se P<1 MWel unità di piccola cogenerazione

Indice Risparmio Energetico Limite Termico

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Cogenerazione: quadro normativo

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CAR: statistiche anno 2010

• Energia elettrica prodotta: 55 TWh, pari a:

• 19% dell’intera produzione elettrica nazionale

• 25% della quota termoelettrica nazionale

• Energia termica prodotta: 41 TWh

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Fonte: GSE - Ing. Dell’Olio, 2012

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Caso studio 1: prospettive in Emilia Romagna

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Prospettive della cogenerazione nella regione Emilia Romagna: contratto di ricerca commissionato dalla Associazione Industriali della Provincia di Piacenza e svolto in collaborazione con DIEM - Università di Bologna. •Particolare attenzione a piccola e media industria; •Analisi energetica, ambientale, economica; •11 aziende considerate in 6 province, 5 casi di specie di cui si è valutata la fattibilità tecnico-economica; •Per tutti i casi ipotesi di motori a combustione interna; •Impiego di un software sviluppato internamente al Dipartimento di Energia del Politecnico.

Richiesta Energetica PIACENZA REGGIO MODENA

Richiesta Elettrica [kWhel] 4.492.955 1.954.654 19.546.553 14.874.725 13.341.568 16.676.970 5.103.200

Richiesta Termica [kWhth] 25.761.160 2.304.015 21.760.105 1.887.935 3.335.400 41.692.500 35.367.500

Richiesta Frigorifera [kWhfr] - - - 24.607.238 - - -

FARPRO S.p.A. +

HARIPRO

EUROBOX

S.p.A.Prosciuttificio

Distretto di

Prosciuttifici

TETRAPAK

S.p.A.

PARMA RAVENNA

Cartiera

(attuale)

Cartiera

(Futura)

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Caso studio 1: prospettive in Emilia Romagna

Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP

Caso/provincia Piacenza Reggio Emilia Modena

Nome azienda

EU

RO

BO

X S

.p.A

.

Pro

sc.

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lo

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TE

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FA

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RO

S.p

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+

HA

RIP

RO

Costo Investimento [€] 560.700 137.813 3.804.800 1.435.000 1.307.250 1.680.000 1.043.700

Pay Back Time [anni] 5,1 6,0 10,4 5,3 2,5 2,4 5,0

NPV [€] 268.873 51.018 560.521 647.240 1.626.710 2.142.055 509.975

IRR [%] 31,0 28,0 18,0 30,1 53,3 54,1 31,3

NPV/ Costo Inv. [%] 48,0 37,0 14,7 45,1 124,4 127,5 48,9

Parma Ravenna

IRE (PES)

ANALISI ECONOMICA

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Caso studio 2: centrale biomasse Borgonovo

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Studio per la valutazione dell’impatto economico, energetico e ambientale di un impianto cogenerativo nel comune di Borgonovo Val Tidone (PC): 1.Biomassa locale, reperita in un raggio massimo di 30 km dall’impianto; 2.Combustione su caldaia a griglia con linea di abbattimento fumi; 3.Conversione energetica mediante ciclo Rankine, con due alternative:

• Ciclo a fluido organico, potenza di 645 kWel, caldaia ad olio diatermico

• Ciclo a vapor d’acqua con potenza di 5 MWel

Schema impianto ORC (Fonte: Turboden S.r.l )

Bacino di approvvigionamento della biomassa

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Caso studio 3: Castello di Zena

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Studio di fattibilità su produzione di energia da fonte rinnovabile e opportunità di risparmio energetico presso il Castello di Zena:

•Studio inserito nel progetto di recupero del complesso del castello di Zena, Cadeo (PC);

•Impianti energetici innovativi e a basso impatto ambientale in contesto di pregio storico e architettonico;

•Due strategie: impianti trigenerativi alimentati a gas naturale oppure impianti alimentati da fonti rinnovabili (solare, biomasse e pompe di calore da acqua di falda).

Fonte: www.castellodizena.it

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Caso studio 3: Castello di Zena

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•Configurazioni cogenerative consentono IRE>30% e >35% nei casi centralizzati;

•Impianti solari termici sono economicamente convenienti, quelli fotovoltaici solo per incentivi;

•Caldaie a biomassa hanno buona convenienza economica;

•Pompe di calore ad emungimento dell’acqua di falda sfruttano al meglio l’energia elettrica per riscaldamanto-raffrescamento.

Fonte: www.castellodizena.it

PARAMETRI ECONOMICI INVESTIMENTI

AA1 AA2 C1 C2 CAA1 CAA2

PBT [anni] 2,81 3,05 2,26 2,69 3,20 3,20

IRR [%] 42 39 51 44 38 38

Configurazioni cogenerative

Configurazioni a fonte rinnovabile

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STOCCAGGIO

OLIO VEGETALE

SCAMBIATORE

FUMI/OLIO DIATERMICO

ENERGIA

ELETTRICA

MOTORE ENDOTERMICO

A COMBUSTIONE INTERNA

ARIA

TRATTAMENTO

OLIO VEGETALE

SCAMBIATORE

ACQUA/ACQUA

SCAMBIATORE

ACQUA/ARIA

SCAMBIATORE

OLIO DIATERMICO/ARIA

ARIA

ENERGIA

TERMICA

ENERGIA

TERMICA

ENERGIA

TERMICA

ENERGIA

TERMICA

CAMINO

ESSICCATORE

SEZIONE

ABBATTIMENTO

INQUINANTI

UREA

Caso studio 4: Cogenerazione da olio vegetale

• Valutazione tecnico-economica relativa al progetto di un impianto cogenerativo a biomasse liquide basato su motore a combustione interna

Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP

• Combustibile: olio di palma

• Effetti utili:

potenza elettrica = 995 kWe

potenza termica utilizzata per la

produzione del pellet

• Rendimento el. netto = 36 %

Rendimento termico = 33 %

• Attività svolte: i. Due diligence tecnica ii. Valutazione redditività investimento (cash flow, PayBack Time, IRR) iii. Iter autorizzativo

Credits: Ingg. Bortoluzzi, Di Bona, Zatti

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Caso studio 4: Cogenerazione da olio vegetale

•Motore di derivazione navale, garantisce una maggiore flessibilità di funzionamento (varietà di combustibili impiegabili) e interventi di manutenzione ridotti rispetto agli equivalenti gruppi di derivazione automobilistica, a fronte però di costi di investimento superiori. •Criticità: previsione costo approvvigionamento olio vegetale nel tempo. Alta volatilità •

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Ipotesi A - Flussi di cassa attualizzati e cumulati

-4

-2

0

2

4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Anni

M€

Nominal i T.A. 2,5% T.A. 5% T.A. 7,5% T.A. 10% T.A. 12,5%

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Caso studio 5: Progetto Cubis

CUBIS = Cogenerazione Urbana da BIomasse e Solare (in collaborazione con Kyoto Club e Altair).

Obiettivi: Integrare un impianto solare termico con una caldaia a biomassa per produrre elettricità, calore e raffrescamento da fonti rinnovabili.

Analizzare le prestazioni di differenti configurazioni di un impianto ibrido biomassa/solare: cogenerazione o trigenerazione.

Fornire indicazioni utili alla progettazione e realizzazione di un impianto pilota, tuttora in fase di costruzione.

Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP

IMPIANTO DI COGENERAZIONE BIOMASSA CALORE

UTILE

PERDITE

ELETTRICITA’ SOLARE

IMPIANTO DI TRIGENERAZIONE BIOMASSA CALORE

UTILE

PERDITE

ELETTRICITA’ SOLARE

ENERGIA FRIGORIFERA

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Caso studio 5: Progetto Cubis

Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP

Assetto Cogenerativo Assetto Trigenerativo

Peculiarità/Complessità affrontate: • Funzionamento off-design per adattarsi all’intermittenza della sorgente

solare e alla variabilità della richiesta termica • E’ stato sviluppato un programma ad-hoc per l’ottimizzazione di tali impianti,

in funzione del profilo di domanda delle utenze termiche nel tempo

Caldaia a biomasse ORC

Collettore solare

Utenze termiche Rigeneratore

Caldaia a biomasse ORC

Collettore solare

Utenze termiche

Frigorifero ad assorbimento

By-pass

Credits: Ingg. Capra, De Servi, Martelli

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Laboratorio microcogenerazione

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•Presso il Dipartimento di Energia del Politecnico è attivo il laboratorio LMC, una stazione di prova per sistemi cogenerativi e trigenerativi di piccola scala: potenza elettrica fino a 100 kW, potenza termica fino a 300 kW.

•Sistemi: motori alternativi (Otto e Stirling), microturbine a gas, celle a combustibile (PEM, SOFC) e relativi sistemi di trattamento del combustibile, frigoriferi ad assorbimento, pompe di calore, caldaie.

Obiettivi: •Test su prestazioni ed emissioni – ottimizzazione logiche di controllo •Future certificazioni •Sviluppo nuovi sistemi

Progetti in corso: •Microgen30: sviluppo innovativa PEM FC (leader ICI Caldaie, ENEA, ITM-CNR) •PIACE: test sperimentali comparativi su sistemi 1-3 kW (leader Riello, CNR, Centro Ricerche FIAT)

Sala prove

Sala

controllo

Circuiti idraulici

www.gecos.polimi.it

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Cogenerazione: software DCOGEN

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Sviluppato presso Dip. di Energia del Politecnico. Effettua la simulazione del funzionamento di impianti di cogenerazione e trigenerazione ricavando bilanci energetici, economici e ambientali

Studi di fattibilità

Programma DCoGenFogli Elettronici Excel

di Input

Fogli Elettronici Excel

di Output

Simulazione Oraria di Tutti i Giorni-Tipo

Individuazione su Base Oraria della Soluzione Economica Ottimale per Tutti

i Giorni Tipo

Costruzione dell'anno completo

Lettura dati dall'interfaccia Excel

Scrittura dei risultati

Calcolo delle Prestazioni Ambientali

Motore

Carichi

Dati Economici

Componenti

Output Dettagliato

Output Sintetico

Valutazione dell'Investimento

Valutazione degli Effetti dell'Affidabilità

Ottimizzazione impianti esistenti

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Conclusioni •La cogenerazione risulta conveniente e giustificata laddove si possono sfruttare sinergie tra la produzione di elettricità e di calore •Energia termica ed Elettricità hanno un differente valore termodinamico ed economico •Se ben progettato, un impianto di cogenerazione può comportare vantaggi:

•Energetici: risparmio energia primaria •Ambientali: riduzione delle emissioni di inquinanti e gas serra •Economici: interessanti prospettive di redditività

•Secondo il Dm 4 agosto 2011 la cogenerazione può essere definita ad alto rendimento (CAR) e quindi matura il diritto a ricevere i Certificati Bianchi (Titoli di Efficienza Energetica):

•se il PES ≥ 10% per impianti di taglia medio-grande (≥ 1MWel) •se il PES ≥ 0% per impianti di piccola (< 1MWel) o micro-cogenerazione (< 50 kWel)

•Non esiste una tecnologia cogenerativa predominante, individuabile in base a regole generali. Infatti, la scelta deve essere frutto di un’opportuna ottimizzazione tecnico-economica che tenga conto delle specifiche di progetto (fabbisogno termico utenza, taglia, modalità approvvigionamento/costo combustibile, contesto economico/finanziario, regime incentivante)

Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP

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Conclusioni: LEAP Nel settore, LEAP offre alle imprese i seguenti servizi:

1. Consulenze su scelte energetiche;

2. Studi di pre-fattibilità e fattibilità tecnico-economica di impianti;

3. Esecuzione di audit energetici (in collaborazione con Laboratorio SIET, Piacenza);

4. Supporto iter autorizzativo;

5. Software di simulazione e ottimizzazione impianti cogenerativi (DCOGEN – sviluppato da Dip. Energia Politecnico di Milano);

6. Laboratorio caldaie Heat_Box e terminali di scarico Wind_Box (Piacenza);

7. Laboratorio microcogenerazione LMC (Milano);

8. Misure delle emissioni di inquinanti e polveri fini ed ultrafini sugli impianti.

Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP

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Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP

GRAZIE PER L’ATTENZIONE!

Ing. Manuele Gatti – Consorzio LEAP

[email protected]

www.leap.polimi.it

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