universita di firenze facoltà di ingegneria pag. 1 dipartimento di energetica s.stecco risparmio...

UNIVERSITA’ DI FIRENZEFacoltà di Ingegneria

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Dipartimento di Energetica

“S.Stecco”

Risparmio Energetico ed Energie rinnovabili:

Geotermia, Solare termodinamico e microeolicoGiampaolo Manfrida


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“S.Stecco”

Conversione : 1 TEP = 42 GJ = 11600 kWh

Italia: storia recente dei consumi.....


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“S.Stecco”


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“S.Stecco”

Spingere le rinnovabili verso la produzione di calore: una necessità!

• Quasi il 50% dell’energia primaria è consumata per produrre calore.

• Anche il condizionamento sta assumendo un ruolo sempre più importante nei consumi elettrici

• Proposta UE: incrementare dal 10 al 25% la quota di rinnovabili per riscaldamento e raffreddamento

EFFICIENZA ENERGETICA ED ENERGIE RINNOVABILI: aspetti di natura tecnica


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“S.Stecco”


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“S.Stecco”

Non Elettrici(Riscaldamento, trasporti,..)


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“S.Stecco”

L’energia elettrica rappresenta solo una frazione del consumo totale di energia (attorno al 20% a livello mondiale)


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“S.Stecco”

I provvedimenti della UE in materia di razionalizzazione dell’utilizzo delle fonti energetiche: il 20 – 20 – 20

Efficienza energetica: risparmio di energia primaria del 20%

Fonti rinnovabili: 20% di energie rinnovabili

Emissioni CO2: riduzione del 20%

Obiettivi al 2020:

Interventi di risparmio energetico


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“S.Stecco”

Il 20 – 20 – 20 per l’Italia: cosa significa?• Consumi totali di energia

primaria = 145 MTEP

È il 57% dell’energia elettrica totale immessa in rete!

Così suddivisi per settore (al 2005):

• Trasporti ~ 30%• Industria ~ 28%• Residenziale ~ 21%• Terziario ~ 11%• Altri ~ 10%

• Risparmiarne il 20% equivale a ~ 30 MTEP

Suddivisione per fonte (~ 198 MTEP lordi) :

Petrolio ~ 43%Gas ~ 36%Carbone ~ 9%Elettricità primaria ~ 6%Altri ~ 6%


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“S.Stecco”

• Valutazione dei possibili risparmi conseguibili con ridotti oneri addizionali alle imprese

• Individuazione dei settori più interessanti per dimensione e risparmi

• Evidenziare le tecnologie disponibili sulla base di accurate analisi costi/benefici

• Indirizzare le istituzioni verso una politica per l’efficienza energetica di medio - lungo termine

• Definire azioni di comunicazione e informazione

Il settore industriale: la Task Force Efficienza Energetica di Confindustria


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“S.Stecco”

• Analisi per settore: approfondimento delle tecnologie rilevanti

• Per ciascuna tecnologia: periodo iniziale considerato al 2005 e

prevedibile andamento del mercato al 2016

• Elaborazione ed individuazione di scenari di possibili risparmi in

funzione di diverse politiche di incentivazione ed analisi costi/benefici

Il lavoro della Task Force (in collaborazione con ENEA e CESI)


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“S.Stecco”

Industria49%

Domestico22%

Terziario27%

Agricoltura2%

Ripartizione settoriale dei Consumi di energia elettrica in Italia (2005)

Settore industriale: ha assorbito il 49% del consumo nazionale di energia elettrica (circa 154000 GWh)

Circa l’80% dei quali è assorbito da motori elettrici (rapporto CESI)

Ripartizione generale dei totali consumi elettrici (per tutti i settori):

– Motori ~ 45-50%– lluminazione ~ 14-17%– Elettrodomestici ~ 12-15%– Stand by, carica batterie, etc. > 4%!


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“S.Stecco” Motori elettrici

• Interventi relativi a:

- industria e costruttori di macchinari e prodotti i cui componenti includono motori elettrici

• Interventi previsti:– Installazione di motori efficienti di potenza 1 90 kW (motori in

classe eff 1)

– Installazione di inverter su motori a regime variabile

• Risparmi conseguibili

9,7 18 TWh

Incidenza su consumo primario: 18%

7% 13% dei consumi primari dei motori elettrici al 2005


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“S.Stecco”

Fino al 31 dicembre 2010

Detrazione dall’imposta lorda del 20% della spesa per l’acquisto di motore ad alto

rendimento o di un inverter (acquisto e l’installazione sul territorio nazionale)

Incentivi: Finanziaria 2008 per motori e inverters

Dal 1º gennaio 2010

È vietata la commercializzazione di motori elettrici appartenenti alla classe 3 anche all’interno di apparati


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“S.Stecco”

Settore civile: Riscaldamento/raffrescamento e acqua calda sanitaria

• Incidenza sui consumi complessivi del settore civile = 60%

• Possibili vantaggi derivanti dall’integrazione tra le varie tecnologie

• Diversi interventi possono essere combinati:– Coibentazione e interventi edili (serramenti più efficienti)– Tecnologie per riscaldamento e acqua calda sanitaria (caldaie ad alta

efficienza, pannelli solari termici ecc)– Tecnologie per raffrescamento

• Risparmi conseguibili:5,6 8 Mtep

Incidenza su consumo primario generale: 22%

15% 20% dei consumi per riscaldamento/raffrescamento del 2005


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“S.Stecco”

Fino al 31 dicembre 2010

• Prorogate le detrazioni fiscali del 55% per la riqualificazione energetica degli

edifici

Entro il 31 dicembre 2009

• La detrazione del 55% si applica anche alle spese per la sostituzione intera o

parziale di impianti di climatizzazione invernale non a condensazione, sostenute

• Le modalità per il riconoscimento dei benefici stabilite con un decreto del Ministro

Economia e Finanze

Incentivi: Finanziaria 2008 per la riqualificazione energetica degli edifici


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“S.Stecco”

Una fonte fondamentale: il risparmio e la certificazione energetica

Esempio: appartamento di 100 m2 con superficie finestrata del 20%, piano singolo, su garage/cantina al 25%, situato in zona centrale nel

comune di Pistoia

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Dispersioni per Trasmissione

Dispersioni per Ventilazione

Apporti interni Apporti solari Costante di tempo Fabbisogno netto

Totale Vetri singoli

Totale Vetri doppi+isolamento solettaTotale Vetri doppi+pareti COIBENTATE

kWh/

(m2

anno

)


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“S.Stecco”

Dispersioni Termiche Totale Vetri singoli

Totale Vetri doppi+isolamento soletta

Totale Vetri doppi+pareti COIBENTATE

Totale Vetri doppi+pareti COIBENTATE+2 m2 collettori termici+10 m2 PV

Dispersioni per Trasmissione [kWh/m2] 187,9 138,4 88,8 88,8Dispersioni per Ventilazione [kWh/m2] 34,2 22,8 22,8 22,8Apporti interni [kWh/m2] 12 12 12 12Apporti solari [kWh/m2] 26,7 24,5 18,7 18,7Costante di tempo [h] 3,5 4,9 9,7 9,7Fabbisogno netto [kWh/m2] 187,8 129,5 84,3 84,3Superficie netta [m2] 100 100 100 100Risparmio rispetto al caso 1 [%] 26,3 52,7 0

Energia termica fornita Caldaia [kWh/m2] 276 218 105 101,6Acqua calda sanitaria Caldaia [kWh/m2] 27,8 27,8 27,8 17,5Energia elettrica [kWh/m2] 55,4 55,4 55,4 34Risparmio rispetto al caso 1 [%] 21,0 62,0

La classe energetica dell’edificio e i possibili miglioramenti


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“S.Stecco” ILLUMINAZIONE

• Sono considerati gli impieghi per illuminazione sia civile che industriale

• Tecnologie efficienti:– Lampade efficienti (da incandescenza a CFL)– Sistemi di alimentazione efficienti– Sistemi di regolazione del flusso luminoso– ICT e sistemi di controllo

• Risparmi conseguibili

12,5 17 TWh

Incidenza su consumo primario: 6%

25% 35% dei consumi per illuminazione del 2005


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“S.Stecco”

Altri usi elettrici e termici nel settore civile incidenza su consumo primario: 8%

• Elettrodomestici, sistemi ITC, sistemi per la refrigerazione e la ristorazione (cottura)

• Tecnologie efficienti:– Frigoriferi e congelatori efficienti (classe A++)

– Lavabiancheria e lavastoviglie in classe A superiore

– Riduzione dei consumi di stand-by (nuove famiglie di prodotti)

• Risparmi conseguibili negli impieghi elettrici

7,5 22 TWh 9% 25% dei consumi di settore del 2005


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“S.Stecco”

Settore civile, Casi specifici: UfficiIndagine ENEA in varie zone climatiche

Edifici per ufficio in zona climatica Dm3/anno di gas per m2


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“S.Stecco”

Edifici per ufficio in zona climatica DConsumi elettrici annui per m2

…. Per zona climatica:

… e per addetto:


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“S.Stecco”

Consumi elettrici negli uffici


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“S.Stecco”

Risparmio energetico per diversi tipi di intervento (edificio uso Ufficio – Riscaldamento)


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“S.Stecco”

Risparmio energetico per diversi tipi di intervento (edificio uso Ufficio – Raffrescamento)


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“S.Stecco”

Settore civile, Casi specifici: Scuole - Indagine ENEAUn edificio è tanto più efficiente quanto più è compatto. In altre parole quanto più è piccolo il rapporto S/V (minore superficie disperdente rispetto al volume che racchiude). Solamente il 4% degli edifici scolastici analizzati presenta un rapporto di forma S/V minore di 0,3 (Figura 127), questo significa che mediamente gli edifici hanno una grande superficie disperdente.

A differenza di edifici passivi residenziali, quelli scolastici dovrebbero essere riscaldati a regime intermittente(riduzione del riscaldamento nelle ore senza lezione). Il regime intermittente porta ad una temperatura internamedia inferiore a quella di progetto e, con l’abbassamento della temperatura, si ridurrebbero anche le perdite dicalore.


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“S.Stecco”

Applicazione di fonti rinnovabili al settore abitativo (ENEA, 2010)Sistemi di microcogenerazione distribuita


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“S.Stecco”

Consumi energetici per settore industriale (2008; ENEA)


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Consumi elettricità nel settore industriale (2008; ENEA)

Uno studio realizzato da Confindustria2 quantifica i possibili risparmi energetici conseguibili con motori al alta efficienza in abbinamento ad inverter. La sostituzione forzata di motori a seguito della normativa cogente potrebbe produrre risparmi energetici fino 5,9 TWh/anno al 2020, corrispondenti a ca 750 M€ di risparmio economico per gli utenti finali. L’inverterizzazione di tutto il potenziale porterebbe ad un risparmio del 35% nel settore ventilazione e pompaggio, del 15% nel settore dei compressori e del 15% per le altre applicazioni.

ENEA valuta che potrebbero essere introdotti ca 1.000.000/anno di motori ad alta efficienza di potenza compresa nell’intervallo 5-90 kW, con un risparmio di ca 1,37 TWh/anno ed un risparmio economico per gli utenti finali di ca 178 M€1, con un tempo di ritorno inferiore a tre anni. Il risparmio potenziale proveniente dagli inverter è ancora maggiore, pari a circa 3,5 TWh/anno, corrispondenti ad un risparmio per gli utenti di ca 450 M€.


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“S.Stecco”


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Usi termici in industria e agricoltura

• Sono presenti principalmente nelle industrie di processo (agroalimentare, tessile, cartiere, ecc.)

• Tecnologie efficienti:

– Impianti di cogenerazione ad alta efficienza di grossa, media e piccola taglia

– Interventi di miglioramento dell’efficienza dei processi industriali, anche mediante nuovi sistemi di automazione

• Risparmi conseguibili 0,8 4 Mtep

Incidenza sul consumo primario: 18%

2,5% 12,5% dei consumi del 2005


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“S.Stecco”


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“S.Stecco”

Quante sono le installazioni solari termiche in Europa?

Crescita del Mercato solare termico nella EU 25

Italia: abbondantemente indietro rispetto a paesi con molta meno insolazione

Capacità installata di solare termico ogni 1000 abitanti (in kW e m2) al 2005

Distribuzione del Mercato solare termico nella EU 25 al 2005


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Il solare termico nei processi industriali

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Per un fruttuoso utilizzo della fonte solare in ambito industriale

Temperatura < 250 °C

Richiesta di energia termica continua e costante Esclusi processi fortemente stagionali (4 – 6 mesi di inattività)

Classificazione processi industriali in base profilo della domanda di calore:

• Domanda continua (24 ore/giorno per 7/7 giorni)• essiccamento del malto (aria calda a 60 °C), essiccamento nelle cartiere (vapore a 135 °C);

• Domanda per riscaldamento dei fluidi contenuti in vasche, necessario per:- Mantenere costante la temperatura durante lo svolgimento di un

processo;- Preriscaldare all’avvio di un processo il liquido contenuto nelle vasche;- Riscaldamento del fluido dopo la sua sostituzione.• processi di tintura e candeggio (industria tessile), lavaggio di bottiglie (settore bevande);

• Preparazione di acqua calda per diversi usi


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“S.Stecco”

L’accoppiamento tra il solare termico e i processi industriali

Modalità d’integrazione della fonte solare

Strettamente dipendente dalle peculiarità del processo industriale in esame. Può variare moltissimo anche nell’ambito della stessa “famiglia” produttiva (per dimensioni, macchinari disponibili, grado di automazione, sistema termico preesistente, ecc.)

L’impianto solare può essere accoppiato:• direttamente al processo specifico;•può “aiutare” il sistema centrale di produzione di calore, preriscaldando l’acqua in ingresso ad una caldaia a vapore o generando direttamente vapore (questa ultima è circostanza è molto rara)

Scelta tipologia collettori: dipende principalmente dalla temperatura alla quale è richiesto il calore. Opzioni possibili: • Collettori piani vetrati selettivi (fino a 70÷80°C); • Collettori speciali ad elevata efficienza (fino a circa 150 °C); • Collettori parabolici lineari (PTC, fino a 400 °C)


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Criteri di valutazione della

fattibilità di sistemi solari per processi

industriali.

Temperatura di lavoroCondizioni climatiche

Continuità della domanda

Taglia del sistema

Energia da fonte solareFrazione solare

Disponibilità di tetti o terreni

Caratteristiche statiche tetti

Recupero del calore di scarto


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Censimento degli impianti solari esistenti

Distribuzione per tipologia di collettori

Pian

i Sotto

vuo

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A c

once

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i

Altr

i

Distribuzione per calore di processo e potenza installata

Distribuzione per temperatura di esercizio

La maggior parte dei sistemi:• per temperature < 50 °C taglia intorno a 100 kW• per temperature > 150 ºC soltanto impianti di grandi dimensioni (> 100 – 200 kW)


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“S.Stecco”

Il potenziale di applicazione del solare termico per processi industriali in italia

Energia destinata alla produzione di calore a bassa e media temperatura consumata dall’industria:• 1/3 della domanda totale di energia termica industriale.

Settori potenzialmente compatibili con l’utilizzo di energia solare:• agro-alimentare, tessile e chimico

Bolletta energetica a loro imputabile:• 92 TWh

SETTORE PROCESSI TEMPERATURA (°C)

Fabbricazione della birra e lavorazione del malto

Bollitura del mosto di malto Lavaggio delle bottiglie Raffreddamento Essiccazione

100 60 90 60

Caseario Pastorizzazione Sterilizzazione

62 – 85 130 – 150

Conservazione del cibo

Sterilizzazione Pastorizzazione Cottura

110 – 125 < 80

70 – 98

Carne Lavaggio, sterilizzazione e pulitura Cottura

< 90 90 – 100

Vino e bibite Lavaggio delle bottiglie Raffreddamento

60 – 90 85

Tessile Lavaggio candeggio e essiccatura Cottura

< 90 140 – 200

Automobilistico Asciugatura della vernice Sgrassatura

160 – 220 35 – 55

Cartiero

Cottura della pasta di legno Riscaldamento dell’acqua di alimentazione Candeggio Essiccatura

170 – 180 < 90

130 – 150 130 – 160

Conciatura Umidificazione 165 – 180


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“S.Stecco”

Distribuzione della superficie solarizzabile

Potenziale applicazioni industriali italiane:• a bassa T in copertura: 5.810.000 m2; • a bassa T in facciata: 1.490.000 m2; • a media T in copertura: 15.725.000 m2; • a media T in facciata: 3.456.000 m2

Totale = 25.6 Milioni di m2

18,5 GW termici energia prodotta in un anno = 15,6 TWh

Contributo medio in facciata = 10%


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Superficie solarizzabile e contributo energetico degli impianti solari nello scenario di medio periodo

Nel breve – medio periodo (2020) realisticamente (potenziale effettivo):

settori con processi termici a media temperatura40% della superficie disponibile in copertura 20% di quella in facciata

L’energia globale producibile annualmente = 8,8 TWhpotenza installata = 10 GW


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“S.Stecco”

Studio su Distretto tessile (Macrolotto 1 Prato; 2010)


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“S.Stecco”

Studio su Distretto tessile (Macrolotto 1 Prato; 2010)


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“S.Stecco”

Per un sistema solare termico di uso domestico 6 m2 di collettori vetrati Domanda di 300 l/giorno di acqua calda a 60ºC e 300 l di stoccaggio

La frazione solare è:

21% in Tromsø, Norway (70ºN)

40% in Yellowknife, Canada (62ºN)

32% in Warsaw, Poland (52ºN)

51% in Harbin, China (46ºN)

67% in Sacramento, USA (39ºN)

39% in Tokyo, Japan (36ºN)

78% in Marrakech, Morocco (32ºN)

75% in Be’er-Sheva, Israel (31ºN)

81% in Matam, Senegal (16ºN)

59% in Puerto Limón, Costa Rica (10ºN)

59% in Jakarta, Indonesia (6ºS)

86% in Huancayo, Peru (12ºS)

69% in Harare, Zimbabwe (18ºS)

65% in Sydney, Australia (34ºS)

39% in Punta Arenas, Chile (53ºS)

Alcuni esempi di potenzialità di risparmio domestico con integrazione solare termico



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“S.Stecco”

Energia Elettrica


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“S.Stecco”


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“S.Stecco”

Bilancio Energia Elettrica

Italia, 2009 320000 GWh, di cui 40000GWh

importati Prevalenza negli usi di

Industria/Terziario Usi domestici in crescita

Bilancio Energia Elettrica da Rinnovabili Italia, 200843000 GWh Idroelettrico6000 GWh Eolico6800 GWh Geotermia200 GWh Solare4500 GWh biomasse1500 GWh da rifiuti


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“S.Stecco”


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“S.Stecco”

Energie Rinnovabili: Il problema della natura diffusa e della non stazionarietà della risorsa

7,2 14,4 28,8 43,2 km/h 2 4 8 12 m/s

9,6 77 614 2074 Potenza vento per m^2 rotore

Solare: Irraggiamento su superficie orizzontale: max 800 W/m^2

Eolico: Energia specifica bassa nella maggior parte dei casi in Italia

Moto Ondoso: Energia specifica media molto bassa nel Mediterraneo (onde 1 m = 613 J/m^2)Conseguenza: per raccogliere potenze interessanti (20 kWe – 20 MWe) occorre pensare ad impianti di grande estensione.

Gli impianti grandi hanno notevole inerzia e non sono capaci di seguire e convertire le variabili non stazionarie nel tempo.


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“S.Stecco”

Ore/anno di produzione equivalente per tipologia

2009 MW GWh Ore/annoGeotermia 711 5200 7314Termo 55000 237000 4309Idro 14500 41100 2834Biomasse 1600 4500 2813Eolico 4850 4900 1010Solare 338 200 592

E’ data dalla divisione Energia prodotta/Potenza installata Dati presentati 2009 La resa di 1 MWe Geotermico in termini di energia prodotta per anno è almeno 7 volte quella di

1 MWe eolico; ed oltre 12 volte quella di 1 MWe fotovoltaico! Alcune rinnovabili sono molto penalizzate dalla natura aleatoria della fonte (vento, moto ondoso,

sole) La soluzione di inserire negli impianti dispositivi di accumulo è complicata e comunque porta

l’impianto ad operare fuori regime (peggiora il rendimento) Occorre tenere presente il costo del MWe (di picco) installato


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“S.Stecco”

La cogenerazione di energia elettrica e calore è considerata come una delle forme più efficaci di risparmio energetico Gran parte dell'energia termica viene utilizzata a temperature relativamente basse,

utilizzando processi di combustione Le temperature di combustione variano da oltre 2000°C (combustione adiabatica di miscele

stechiomeriche), fino a 600 ÷ 700 °C (con opportuni accorgimenti), valori comunque assai superiori a quelli di utilizzo dell’energia termica (100 ÷ 300 °C)

La cogenerazione implica il recupero di calore allo scarico di un impianto destinato alla produzione di energia elettrica (per effettuarlo può essere tollerabile una diminuzione del lavoro specifico)

I vantaggi della cogenerazione implicano costi aggiuntivi, in gran parte legati alla necessità di sistemi per il trasferimento del calore (scambiatori), caratterizzati da ampie superfici di scambio termico. L’incremento delle superfici di scambio è necessario per ridurre il salto di temperatura

che si utilizza per il trasferimento del calore Anche i costi di gestione e manutenzione sono maggiori rispetto al caso di impianti

convenzionali.

Cogenerazione


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“S.Stecco”

Le caratteristiche dei diversi motori primi consentono di coprire una vasta gamma di applicazioni cogenerative al variare di carico elettrico e termico (condizioni di progetto).

I diversi motori primi non sono equivalenti!

Campi di impiego -1


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“S.Stecco”

Campi di impiego -2

La scelta dell’impianto dipende anche dalla temperatura alla quale è richiesto il calore; questa influisce sulle prestazioni dell’impianto


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“S.Stecco”

Campi di impiego -3

Le prestazioni degli impianti ed il loro costo relativo dipendono dalla potenza


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“S.Stecco”

Parametri di prestazione - 1 Rendimento Elettrico

Valuta solo le prestazioni dell’impianto per la produzione di energia elettrica

Rendimento totale ( o di primo principio) Il calore e la potenza meccanica sono equiparati Si analizza l’impianto secondo il primo principio della termodinamica

Tale rendimento è direttamente proporzionale al rendimento elettrico

Indice Elettrico Indica il rapporto fra energia

elettrica e calore utilizzato

f

El

El Q

W

IEW

QW

Q

Q

QWEl

El

UTEl

El

El

UTEl

f

UTEltot

111

)(

UT

El

Q

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“S.Stecco”

Parametri di prestazione – 2 - Indice di Risparmio Energetico

Quantifica il risparmio di energia dell’impianto cogenerativo rispetto al caso in cui la produzione di energia elettrica sia fatta dal sistema nazionale (El_grid 0,4) e il calore prodotto da un generatore di calore convenzionale (GC; il valore dipende dalla taglia e dal tipo di combustibile; è compreso tra 0,8 e 0,93). Da sito GSE.

GC

UT

gridEl

El

El

El

GC

UT

gridEl

El

COGIN

QW

W

QW

QIRE

__

_ 11

NPGGS

Il numeratore evidenzia l’energia termica (o il consumo di energia primaria) in ingresso all’impianto cogenerativo (Q1N_COG = mc HCI = WEl/El)

Il denominatore evidenzia il calore usato dal sistema di produzione di energia elettrica nazionale e dalla caldaia separata


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“S.Stecco”

Cogenerazione con MCIMCI turbocompresso Il recupero di calore dai MCI è possibile:

- dall’acqua di raffreddamento- dai gas di scarico- dall’olio lubrificante- dall’interrefrigerazione del compressore per motori sovralimentati-dal raffreddamento dell’alternatore-.....

Complessivamente il calore è reso disponibile a temperature relativamente basse (80-200°C)I MCI non sono adatti per produzione di vapore di processo (portate basse, solo x grandi unità).I valori di Indice Elettrico sono elevati (0,7 – 1,5)I costi di manutenzione sono elevati.


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“S.Stecco”

Turbina a vapore a contropressione a condensatore caldo

Impianti a vapore a contropressioneCogenerazione con impianti a vapore - 1

Sono impianti semplici, proponibili su taglie 1 MWe – 10 Mwe

I valori di Indice Elettrico sono molto bassi (0,1 – 0,2)

L’impianto è “rigido” per la regolazione: il carico termico dell’utenza comanda rispetto alla produzione di energia elettrica

L’impianto è molto adatto per cogenerazione industriale in settori ad alto consumo di calore (produzione carta, tessile,....)

I costi di manutenzione sono molto limitati.

Sostanzialmente é un normale impianto a vapore, nel quale il condensatore opera in condizioni pressurizzate e calde, in base alla specifica richiesta dell’utenza termica

Esercizio TV_contr_prog.ees (Limite)Esercizio TV_contr_prog_r.ees (Reale)Esercizio TV_contrPT.ees (Progetto)Esercizio TvcontrQU.ees (Esercizio reale)


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“S.Stecco”

Impianti a vapore a spillamento

Turbina a vapore a condensazione con spillamento

Rispetto agli IV a contropressione, sono impianti molto flessibili per la regolazione indipendente di carico elettrico e termico

La flessibilità comporta costi di impianto ed alla fine – su base annuale – l’IRE risulta alto solo se l’impianto ha operato in modalità prossima all’IV a contropressione..........

Sono impianti proponibili su taglie 4 MWe – 20 MWe (sono comunque soluzioni con TV a doppio corpo)

I valori di Indice Elettrico di progetto sono bassi (0,2- 0,3)

L’impianto è molto adatto per cogenerazione industriale, in settori ad alto consumo di calore (produzione carta, tessile,....)

I costi di manutenzione sono molto limitati

Cogenerazione con impianti a vapore - 2


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“S.Stecco”

Turbine a gas

Turbina a gas con iniezione di vapore

Turbina a gas con post-combustione

Il punto critico è rappresentato dal rendimento della caldaia a recupero, difficilmente superiore a 0,7 in queste applicazioni (il sistema non si connota come “a energia totale”)

Sono impianti proponibili su taglie 2 MWe – 40 MWe

I valori di Indice Elettrico sono medi (0,7- 1)

L’impianto è adatto per cogenerazione industriale, in settori a consumo equilibrato di calore ed elettricità (tessile, chimica, materie plastiche, laterizi, ....); anche per cogenerazione civile (teleriscaldamento).

Le soluzioni con iniezione di vapore sono molto flessibili per la regolazione, nel senso che il vapore non destinato all’utenza termica può essere utilizzato per incrementare la produzione di energia elettrica (o viceversa).

I costi di manutenzione sono limitati

Cogenerazione con Turbine a Gas - 1


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cr = Qrec/Qrec max = (T4 - Tst)/(T4 - Ta)

Un problema caratteristico delle turbine a gas in configurazione cogenerativa é il rendimento relativamente limitato della caldaia a recupero, collegato alla rilevanza delle perdite per calore sensibile allo scarico (caratteristiche di sistemi con eccesso d'aria elevato). Tale rendimento è espresso dal rapporto:

La temperatura T4 allo scarico della turbina a gas è di norma compresa tra 400 e 600 °C; peraltro, la temperatura al camino Tst non può raggiungere valori molto bassi (prossimi a Ta 25 °C), per due motivi fondamentali:

1) al di sotto dei 100 °C esistono problemi legati alla condensazione dell'umidità presente nei gas di scarico (H2O proveniente perlopiù dalla combustione di idrogeno).Inoltre risulta problematico garantire un adeguato tiraggio al camino - il pennacchio di gas freddi presenta una scarsa tendenza al galleggiamento rispetto all'aria ambiente in cui viene immesso.

2) molti processi cogenerativi riconducono il fluido termovettore (di norma acqua) alla caldaia a recupero in condizioni di temperatura ancora elevate (80 - 90 °C nel caso di recupero del condensato in condizioni di pressione atmosferica; fino a 120 - 150 °C per macchine che reuperano il vapore condensato in condizioni pressurizzate) ; è quindi impossibile raffreddare i gas nella caldaia a recupero al di sotto della temperatura minima dell'utenza termica.


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Esempio: Si calcoli il valore del rendimento della caldaia a recupero per una temperatura di scarico dei gas alla turbina T4 = Tig = 500 °C, assumendo Ta = 25 °C e Tst = Tug pari a 200 oppure 120 °C.

cr = Qrec/Qrec max = (T4 - Tst)/(T4 - Ta)

cr = (500 - Tst) / (500 - 25) = 0,63 per Tst = 200°C;

= 0,80 per Tst = 120°C


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Cogenerazione con Turbine a Gas - 4 - Iniezione di vapore

ProcessHeatLoad

S tack

HRSG

V 1V 2

PC

CC

TC

SteamManifo ld

m f2

m f1

m W _MU

S

m A ir

m G as

Le Turbine a gas hanno una potenzialità di generazione di vapore superiore alla quantità tipica iniettabile a monte della camera di combustione.

In base ai fabbisogni (elettrico e termico) é possibile graduare quanto vapore inviare all’iniezione e quanto al processo produttivo.

L’attivazione della Postcombustione aggiunge un ulteriore margine di flessibilità all’impianto (Ciclo Cheng).

Taglie proponibili 2- 50 MWe (problema del consumo di acqua).


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Ciclo Combinato con Post Combustore e Turbina a vapore in contropressione

Ciclo Combinato con Post Combustore e Turbina a vapore a condensazione con spillamento

Cogenerazione con Turbine a Gas - 5 - Cicli Combinati Gas-Vapore

Sono impianti proponibili su taglie 40 MWe – 600 MWe

I valori di Indice Elettrico di progetto sono medio/alti (0,7- 1,5).

L’impianto è adatto per cogenerazione industriale, in settori a consumo equilibrato di calore ed elettricità (tessile, chimica, materie plastiche, laterizi, ....); anche per cogenerazione civile (teleriscaldamento).

Il costo d’impianto è elevato.

La regolazione è molto flessibile, ma nell’esercizio occorre fare attenzione a rispettare su base annuale i limiti imposti dalla legislazione (IRE) per godere delle agevolazioni ed incentivi di legge.

I costi di manutenzione sono limitati in termini relativi al kWh, ma si tratta comunque di grandi impianti termoelettrici che richiedono una gestione onerosa.


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Bilanci Energetici

Le potenzialità cogenerative e i bilanci energetici dipendono dalla tipologia di impianto adottato.

Esempio: variazione della potenza elettrica per diverse tipologie di impianto a parità di calore cogenerato

“Diagrammi di Grassmann”

IV contropressione

TG + HRSG

Ciclo combinato

QUt

WEl

Q2

Q2

Q2

WEl

WEl

QUt

QUt


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Teleriscaldamento

Il Teleriscaldamento rappresenta un’interessante possibilità di applicazione civile della Cogenerazione.

Il Teleriscaldamento, tipicamente impiegato in zone a clima freddo, consiste nell’insieme degli elementi utilizzati per generare e trasferire il calore generato alle utenze termiche che non sono ubicate presso la centrale di cogenerazione

Serve una rete di distribuzione del caloreNormalmente sono presenti sottostazioni di distribuzione a livello di

quartiere, condominio,.....La rete primaria è in genere con acqua calda in pressione (circa 5 bar) a

80 -130 °C; agli utenti finali si distribuisce calore con una rete secondaria locale a 50-80°C.

In grandi città del Nord sono presenti reti di distribuzione primaria di vapore

Oggi esiste la possibilità di distribuire calore/freddo (Trigenerazione)


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Aspetti legislativi e normativi Le leggi sul risparmio energetico (9 e 10 del 1991) e le conseguenti delibere

CIPE (1992-1998) hanno facilitato il diffondersi della cogenerazione Il principio fondamentale è quello che consente l’autoproduzione di energia elettrica

in presenza di un impianto di cogenerazione in cui il peso relativo del calore cogenerato sia superiore ad una quota minima fissata per legge.

Generalmente è imposta una elevata quantità di calore cogenerato, dell’ordine del 70-80% rispetto al valore dell’energia elettrica prodotta.

Vantaggi ulteriori derivano dalla possibilità di "Vettoriamento" di energia elettrica e da prezzi di rivendita alla borsa dell’energia convenienti per l'energia prodotta in modo cogenerativo (assimilata alle fonti rinnovabili)

Col vettoriamento un’ azienda con più siti produttivi può distribuire tramite la rete nazionale l’energia elettrica auto prodotta ad altre sedi non dotate di impianto di cogenerazione, a costi nulli o marginali

In ogni caso, per l'autoproduttore/cogeneratore di energia elettrica e termica risulta fondamentale la possibilità di interscambiare energia elettrica a costi contenuti mediante il collegamento in parallelo alla rete nazionale

Si coprono così gli inevitabili eccessi/carenze di energia elettrica prodotta


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DLGS 8/02/2007 n. 20

(Allegato 3 Metodo di calcolo del rendimento del processo di cogenerazione)

Recepimento Direttiva Europea 2004/08/CE

+

-=


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L’energia termica immessa in rete, comprensiva delle perdite, è risultata pari a 147.637 MWht/a. Le perdite medie sono attestate attorno all’11% dell’energia immessa in rete. La potenza di picco richiesta dalla rete è di circa 73 MWt.

Rete Teleriscaldamento Milano Sud

Volumetria residenziale di circa 3,85 milioni di metri cubi riscaldati. Il fabbisogno termico medio nelle ultime tre stagioni termiche è risultato pari a 131.000 MWht/a.

La situazione “ottimizzata” (dal punto di vista impiantistico,economico, energetico ed ambientale) è quella che prevede una quota di energia di originecogenerativa attorno al 70÷80% del carico richiesto dalla rete. Tale quota di energia si raggiunge, stante la forma del diagramma di durata tipica del clima tipico delle regioni del nord Italia (figura 1), con una sezione cogenerativa avente una potenzialità termica pari a circa il 45÷50% della potenza di picco richiesta dalla rete.


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Solare termodinamico

ENEA ha sviluppato una propria tecnologia sul solare termodinamico, basata sull’impiego di sali fusi per il circuito primario e lo stoccaggio termico; con ciclo di conversione a vapore.

La tecnologia ENEA è stata trasferita a di versi soggetti industriali (Gruppo Angelantoni).Sono previste varie applicazioni:•Solare su grande scala•Integrazione con geotermia•Trasformazione di biomasse in energia elettrica, calore e biocombustibili liquidi


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GEOTERMIA

Core Business:

Esplorazione e macchinario per trivellazione.

Costruzione di macchine.

Ricorda: un impianto geotermico funziona oltre 7000 ore/anno (su 8760)

Prospettive di crescita contenute, a meno di sviluppare nuove aree discusse (Amiata) o di ricorrere a nuove tecnologie più costose (EGS).

Costo (incluso prospezioni): da 3 a 5000 €/kWe


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Sorgente di calore

Rocce fuse o parzialmente fuse

Profondità 5-10 Km.

T > 600- 700 °C

Pozzi di produzione

Rocce impermebili cSpessore 500 – 2000 m

SerbatoioRocce porose e fratturateSpessore : 500 – 1500 mTemp. = 150 – 300 °C

Pozzo si reiniezione

Centrale

Vapordotto

Impianto di perforazione

Sorgenti termali

Falda acquifera

Acqua meteorica

Schema concettuale di un sistema geotermico idrotermale


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“S.Stecco” Potenze totali [MW]

Potenze totali [MW]

T>100

1 - Livorno 109.51 0.002 - Casciana Terme 226.04 11.373 - Elsa 83.34 0.004 - Cecina 0.00 0.005+6 - Volterra 0.00 0.007 - San Gimignano 129.90 48.788 - Campiglia 346.87 0.009+10 - Larderello 236.19 176.1511 - Montecastelli 91.16 83.8112+13 - Travale 95.16 86.5414 - Cornate 0.00 0.0015 - Massa Marittima 0.00 0.0016 - Gavorrano 0.00 0.0017 - Ribolla 152.48 90.6318 - Monticiano 0.00 0.0019 - Montemurlo 141.85 48.3420 - Buonconvento 61.93 25.7621 - Grosseto 0.00 0.0022 - Campagnatico 143.42 0.0023 - Montenero 106.24 29.2824 - Seggiano 266.60 142.6725 - Pomonte 21.81 0.0026 - Roccalbenga 94.49 57.4127+28 - Monte Amiata 173.82 165.7529+30 - Radicofani 0.00 0.0031 - Castellazzara 96.35 75.52Totale 2577.17 1042.01

Potenza termica

estraibile (da 750 a 1500 m ) rispetto a una T_rif=50°C

Nell’ipotesi più pessimistica la potenza termica utilizzabile è pari a circa 2500 MW di cui 1050 da risorse geotermiche a temperature superiori a 100°C e profondità inferiori a 1500 m


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Impianti Geotermici Binari con fluidi organici (ORC)

Gli impianti binari operano a Circuito chiuso: il fluido geotermico (con i possibili contaminanti) non entra in contatto con l’atmosfera.


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universita di firenze facoltà di ingegneria pag. 1 dipartimento di energetica s.stecco risparmio...

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