m04 - cogenerazione · m04 - cogenerazione impianti di produzione e distribuzione dell'energia...

LPQI is a member of Leonardo Energy

LPQI has been co-financed byFranco Bua

[email protected]

M04 - Cogenerazione

Impianti di produzione e distribuzione dell'energiaINGEGNERIA DEI SISTEMI E DEI SERVIZIPER IL TERRITORIO E PER L’AMBIENTEA.A. 2007/2008UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PAVIA - SEDE DI MANTOVA

www.leonardo-energy.org

Sommario

Mappa mentale


Introduzione

Praticamente tutti i processi produttivi richiedono (in maggior o minor misura):

– energia elettrica– calore

Generalmente l’approvvigionamento (produzione) di questi 2 fattori produttivi avviene separatamente


Energia elettricaIntroduzione

7.00010.00070.000.000Ii5.00010.00050.000.000Ih6.0004.00024.000.000Ig4.0002.50010.000.000If4.0005002.000.000Ie2.5005001.250.000Id1.600100160.000Ic

Ore annue di utilizzazione

Massima potenza (kW)

Consumo annuale (kWh)

Codice

Utenze industriali standard - Eurostat


Energia termicaIntroduzione

COGEN3 - Technical Report: Available Cogeneration Technologies in Europe

Typical steam and heat quality requirements by sector


Che cosa è la cogenerazione

Produzione combinata di:– Energia (meccanica) > elettrica– Calore

Introduzione


Vantaggi della cogenerazione

Natura energetica– Impiego razionale dei combustibili fossili (recupero

termico)– Sfruttamento di siti rinnovabili (e.g. biogas)– Riduzione delle perdite nel sistema di trasmissione e

distribuzione

Di carattere ambientale– Riduzione delle infrastrutture per il trasporto– Riduzione delle emissioni in atmosfera (?)

Introduzione


Vantaggi della cogenerazione

Per la sicurezza e la qualità approvvigionamento EE– Miglioramento disponibilità energia elettrica (ma non

sempre miglioramento PQ!)– Alleggerimento del carico di alcune reti elettriche

Di natura economica– Risparmi sui costi energetici– Diritto alla vendita di certificati verdi e bianchi (?)

Introduzione


Vantaggi della cogenerazioneIntroduzione


Svantaggi della cogenerazione

Per l’utente– Iter autorizzativi e gestionali complessi– Aspetti economici (scarsa valorizzazione dell’energia

elettrica ceduta alla rete, elevato costo specifico delle soluzioni più innovative, ecc.)

– Scelta della taglia e della tipologia di impianto non immediata (Soddisfacimento della domanda elettrica/termica/ frigorifera)

Introduzione


Svantaggi della cogenerazione

Per il sistema di distribuzione dell’energia elettrica e del gas

– Impatto sul sistema elettrico (utilizzo delle reti di distribuzione in maniera attiva e non più passiva)

– Necessità di potenziare reti di distribuzione del gas

Per gli Enti locali– Gestire e controllare nuove sorgenti emissive in

aree urbane o comunque densamente popolate

Introduzione


Che cosa è la trigenerazione

Produzione combinata di:– Energia (meccanica) > elettrica– Calore– Freddo

Introduzione


Vantaggi e Svantaggi della trigenerazione

Come cogenerazione con costi specifici ancora piùelevati (costo macchine frigorifere ad assorbimento)

Introduzione


Dati statistici

Potenza lorda (produttori e autoproduttori): 18.000 MW (20% totale)

Energia prodotta sul totale

Introduzione

Dati 2005 - Fonte Terna


Dati statistici

Distribuzione delle potenze degli impianti di cogenerazione in ItaliaCurva cumulata anno 2005 - Dati GSE

Introduzione


Dati statisticiIntroduzione

Potenza installata di cogenerazione per le principali attività economiche, anno 2005 - Dati GSE



Potenza installata in impianti di cogenerazione suddivisa in funzione del ciclo termico impiegato, anno 2005 - Dati GSE


Dati statistici

Taglia media per tipologia:– motori a combustione interna – 1,2 MW– turbine a gas – 6 MW– turbine a vapore (contropressione) – 6,6 MW– turbine a vapore (cond. con spillamento) – 25,7 MW– ciclo combinato – 72,9 MW

Introduzione

Dati 2005 - Fonte Terna



Principali tipi di combustibile impiegati per la cogenerazione, anno 2005 - Dati GSE



Taglia media dei sistemi cogenerativi per alcune categorie di attivitàeconomica, anno 2005 - Dati GSE



Prestazioni dei sistemi cogenerativi in termini di rendimento di primo principio ed indice IRE per alcune categorie di attività economica, anno 2005 - Dati GSE


Costo energia elettrica

Composizione della tariffa media nazionale al netto delle imposte c€/kWh, a valori correnti - Fonte AEEG

Utilità


Costo gas naturaleUtilità

Composizione della tariffa media nazionale al netto delle imposte c€/m3, a valori correntiFonte AEEG


Costo oli vegetali Utilità

540Olio di soia

520Olio di palma

560Olio di girasole

560Olio di colza

Costo (€/t)Tipo


IRE (Indice di Risparmio di Energia)

Rapporto tra– il risparmio di energia primaria conseguito dalla sezione

di cogenerazione rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e termica

e– l’energia primaria richiesta dalla produzione separata

Definizioni


Rendimento di primo principio

Rapporto tra– la somma dell’energia elettrica netta generata (Ee) e

dell’energia termica netta utile (Et) generata dall’impianto di cogenerazione

e– l’energia primaria del combustibile, riferita al potere

calorifico inferiore dello stesso, che alimenta l’impianto di cogenerazione (Ec)

Definizioni


Tecnologie per la cogenerazione

La produzione combinata di energia elettrica e di calore può essere tecnicamente realizzata con le modalità:

– topping– bottoming

La maggior parte dei processi di produzione combinata di energia elettrica e di calore sono di tipo “topping”


Topping

In questa modalità viene prodotta energia elettrica attraverso un ciclo termodinamico ad alta temperatura integrato ad un sistema di recupero in forma utile del calore di scarico e di distribuzione del medesimo all’utenza termica.


Figura tratta da J. A. Orlando “Cogeneration design guide - ASHRAE


Topping

In questo caso le tecnologie risultano sostanzialmente derivate da quelle utilizzate per la produzione di sola energia elettrica attraverso l’installazione di apparecchiature di recupero termico e di distribuzione del calore a valle dei motori primi



Bottoming

Nella modalità bottoming viene prima prodotto calore per utilizzazioni ad alta temperatura, il cui cascame termico alimenta un ciclo termodinamico sottostante che permette di ottenere anche una produzione di energia elettrica.




Classificazione delle tecnologie

Da un punto di vista impiantistico le tecnologie di produzione combinata di energia elettrica e di calore vengono classificate in base alla tipologia dei motori primi utilizzati:

– motori a combustione interna (ciclo Otto, Diesel)– turbine a gas– turbine a vapore (contropressione, a condensazione

con spillamento)– ciclo combinato (?)– micro-turbine a gas (emerging)– motore stirling (new)– celle a combustibile (new)



Classificazione delle tecnologie

Ciascuna tecnologia presenta un rapporto tra energia elettrica Ee e calore utile Et prodotto (indice elettrico K):

– tipico (mediamente)– variabile in funzione della taglia– variabile rispetto al profilo di carico (domanda)



Classificazione delle tecnologieValori indicativi del rendimento elettrico, totale e dell’indice elettrico per le diverse tipologie impiantistiche di produzione combinata di energia elettrica e calore



Motore a combustione internaTecnologie per la cogenerazione

Dati tipici– taglie (ciclo otto) 0,25 – 3 MW– taglie (ciclo diesel) 0,8 – 10 MW– rendimento elettrico 30 - 46%– indice elettrico K = 0,4-2,2– 60.000 ore (grossa manutenzione) (diesel?)– costo manutenzione



Vantaggi– elevati rendimenti (anche nei regimi di funzionamento

parziale)– ampia gamma di combustibili utilizzabili (liquidi,

gassosi - compresi gas poveri, gas d’altoforno, da biomasse, di distillazione del carbone)

– spinta modularità di realizzazione– campo di applicazione vasto (15 kWe - 10 MWe)– indice elettrico K = 0,5-2,4– costo medio– costo medio manutenzione (XXX - 0,92 c€/kWh)– pesi– ingombri



Svantaggi– significative emissioni di NOx (necessità di

dispositivi di riduzione delle emissioni)– elevati costi di manutenzione (quota percentuale 2-

4% dei costi di investimento)



Motori a gas GE - Jenbacher



Rendimento elettrico in funzione della taglia (motori < 1 MWe)



Rendimento elettrico in funzione del carico



Rendimento elettrico in funzione della temperatura



Costi specifici in funzione della taglia (motori < 1 MWe)


Turbina a gasTecnologie per la cogenerazione


Dati– taglie 0,1 – 100 MW– rendimento elett. 25 - 40%– rendimento totale 60 - 80%




Vantaggi– larga indipendenza della potenza termica

disponibile dalla meccanica prodotta > maggiore flessibilità di esercizio

– semplicità costruttiva– potenze elettriche tra 5 e 100 MWe– indice elettrico K = 0,5 – 0,8




Svantaggi– rendimenti elettrici relativamente bassi– necessità di utilizzare combustibili pregiati (gas,

oli leggeri) per evitare fenomeni di sporcamento e corrosione delle palette della turbina




Gas turbine section (Siemens)



J. A. Orlando - Cogeneration Design Guide, ASHRAE

Effetto della temperatura dell’aria sul rendimento


Turbine a gasTecnologie per la cogenerazione


Overview gas turbine systems




Gas Turbine with heat recovery steam generator (HRSG). (1) Air filter, (2) Gas turbine, (3) Generator, (4) HRSG, (5) Steam turbine, (6) Condensor


Turbina a vaporeTecnologie per la cogenerazione


Steam turbine (B+V Industrietechnik)

Dati– taglie 0,1 – 100 MW– rendimento elett. 14 - 35%– rendimento totale 60 - 85%




Vantaggi– possibilità di ottenere valori abbastanza alti del

rendimento termico globale, fornendo nel contempo calore di recupero ad alta temperatura. Dato che queste macchine utilizzano il vapore proveniente da un opportuno generatore, esse permettono l’adozione di qualsiasi combustibile, particolarmente quelli non pregiati.

– potenzialità medio-alte, comprese tra 1 e 250 MWe di potenza elettrica ed oltre.

– indice elettrico K = 0,1 – 0,5



Svantaggi– alti costi iniziali di investimento– complessità di impianto– limitata capacità di adattarsi a condizioni di

marcia diverse da quelle di progetto– presenza continuativa di personale specializzato


Ciclo combinatoTecnologie per la cogenerazione



Ciclo combinatoTecnologie per la cogenerazione


Large scale single-shaft combined cycle power plant (Siemens)


Micro-turbine a gasTecnologie per la cogenerazione


Micro-turbine (Bowman Power)

70 - 80%Rendimentocomplessivo

25 - 30%Rendimento elettrico

30 - 100Potenza elettrica

(kW)




Vantaggi– ridotte emissioni di NOx e CO (<10 ppm @ 15% O2)– ingombri e pesi contenuti– bassa rumorosità e vibrazioni– manutenzione ridotta (ogni 10.000 ore)– elevata vita utile (80.000 ore)




Svantaggi– tecnologia emergente– costo specifico elevato (1100 €/kW)– rendimenti elettrici inferiori– bassa temperatura fumi (250 °C)




30 250 Ingersoll Rand MT250 33 200 Capstone C200 30 100 Turbec T100 29 100 Elliott TA 100 28 80 Bowman TG80 29 70 Ingersoll Rand MT70 28 60 CAPSTONE C60 25 30 CAPSTONE C30

Rendimento elettrico (%)Pel (kW)Modello




Influenza del carico sul rendimento delle micro-turbine a gas




Influenza della temperatura sulle prestazioni delle micro-turbine a gas


Motore StirlingTecnologie per la cogenerazione


Stirling Engine Module 9kWe/24kWth (Solo Kleinmotoren)


Celle a combustibileTecnologie per la cogenerazione


Fuel Cell System Types


Studio di fattibilità tecnico economica

Introduzione


Fattibilità tecnica

Analisi dei consumi elettriciAnalisi dei consumi termiciAnalisi tariffe energia elettrica e combustibili




Analisi dei consumi elettrici– Potenza elettrica impegnata– Energia elettrica (kWh)

Tipicamente:– 1/2 anni di bollette– curve di carico (kW – kWh) settimanali (settimana tipo

invernale, settimana tipo estiva)– curve di carico (kW – kWh) giornaliere (giornata tipo

invernale, giornata tipo estiva)




Analisi dei consumi termici– Tipologia dei consumi termici (vapore, acqua calda, …;

livelli termici e di pressione)– Tipologia dei combustibili approvvigionabili (rete gas

naturale?);– Energia (dettaglio giornaliero/mensile)– Potenza termica richiesta (dettaglio

giornaliero/mensile)



Fattibilità economica

Flussi di cassa positivi– Stima dei ricavi– Stima dei risparmi bolletta energetica

Flussi di cassa negativi– Stima dei costi iniziali di investimento– Stima dei costi di esercizio




Ricavi:– da vendita energia elettrica (immessa in rete)– da certificati bianchi– da certificati verdi

Valorizzazione tipica (?)




Risparmi bolletta energetica:– costi di acquisto dell’energia elettrica evitati

(energia elettrica autoprodotta)– costi di acquisto di combustibile evitati (energia

termica, valorizzazione del recupero termico)– minori costi di acquisto di combustibile (sconto

volume per aumento fornitura)




Stima dei costi di esercizio del sistema cogenerativo– Costo del combustibile– Manutenzione– Contratto di Soccorso e Servizio– Costo del Personale– Oneri di gestione autorizzazioni



Fattibilità economica Stima dei costi iniziali di investimento

– Sistema cogenerativo» cogeneratore» HRSG» sistema trattamento emissioni» (macchine frigorifere ad assorbimento)

– Opere elettriche» linee, trasformatore, quadro di interfaccia

– Opere meccaniche» linee distribuzione vapore, HTW, LTW, (freddo)

– Opere civili» fondazioni, insonorizzazione

– Apprestamenti antincendio– Sistema di supervisione e controllo– EPC



Varie

Appunti:– Manutenzione– Gestione dell’impianto (procedure di sicurezza)– Impianto elettrico (passaggio in isola)– Formazione (vedi presentazione)– Passaggi in isola (vedi report)


Bibliografia

Per un approccio operativo alla cogenerazione:– EDUCOGEN - The European Educational Tool on

Cogeneration (www.cogen.org)– J.A. Orlando: Cogeneration Design Guide. Ashrae– Small scale cogeneration. Why? In which case?

m04 - cogenerazione · m04 - cogenerazione impianti di produzione e distribuzione dell'energia...

Documents