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1. Combined Heat Power & Prospettive tecnologiche di cogenerazione di bioenergia in agricoltura 1a parte Reggio Emilia, 12 Ottobre 2007 Ing. Claudio Zini, ENEA, Laboratorio sulle Energie

2. CHP - Sommario - Cosa è il CHP e perché si ricorre al CHP - Tecnologie CHP consolidate • Parametri di riferimento e normative • Valutazioni energetiche • Campi di applicazione ottimali nel settore delle FER • Casi tipici di applicazioni con il ricorso alle FER • Evoluzioni tecnologiche nel breve termine

3. Cosa è il CHP ? “… sistema integrato che converte l’energia primaria di una qualsivoglia fonte di energia nella produzione congiunta di energia elettrica e di energia termica (calore)… conseguendo un risparmio di energia primaria ed un beneficio ambientale rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e termica ….” Definizione dalla Delibera AEEG n. 42/02 19 marzo 2002

4. Cosa è il CHP ? Il sistema comprende diversi componenti: un motore primario, un generatore, un recuperatore di calore, interconnessioni elettriche, etc. Il motore primario è il componente che caratterizza la tipologia del sistema. Si possono avere impianti che utilizzano: • Motori alternativi • Turbine a gas • Turbine a vapore • Celle a combustibile

5. Perché il CHP ? VANTAGGI • Economico: grazie alla miglior efficienza d’impianto si sfrutta meglio l’energia contenuta nel combustibile, consumando meno.Ulteriore risparmio è legato alla produzione localizzata dell’energia • Ambientale: minor consumo di combustibile implica minor emissioni nocive nell’ambiente • Finanziario: la cogenerazione è considerata una fonte di energia assimilabile alle fonti alternative (sole, vento, geotermia) e gode quindi di incentivi e facilitazioni previsti dalla legge

6. Perché il CHP ? LIMITI • Necessità di corrispondenza tra produzione e domanda sia per l’energia elettrica che termica • Affinché si realizzi una convenienza economica per l’impianto le utenze termiche ed elettriche devono trovarsi nelle vicinanze del sistema di generazione • Maggiori costi di impianto rispetto ai sistemi tradizionali imputabili alla complessità degli impianti cogenerativi

7. Perché il CHP ? L’idea di cogenerazione è insita nel Secondo Principio della Termodinamica Un generico ciclo termodinamico destinato a convertire calore in lavoro meccanico deve necessariamente scaricare una parte del calore introdotto nel ciclo Nelle tecnologie concretamente realizzabili e utilizzate, la frazione di calore scartato è quasi sempre maggiore della frazione convertita in lavoro meccanico L’energia termica è una forma di energia ampiamente richiesta in ambiente industriale e civile Il processo di cogenerazione porta ad un più razionale uso dell’energia primaria rispetto ai processi che producono separatamente le due forme di energia

8. Perché il CHP ? CHP Vs SHP Gli impianti che producono separatamente energia elettrica e calore sono definiti, in questa nuova ottica: SHP: Separated Heat and Power Un confronto di massima tra le due soluzioni impiantistiche aiuta a valutare i vantaggi della generazione combinata (CHP) rispetto alla generazione separata (SHP) di energia

9. Perdite meccaniche Inquinamento termico Inquinamento chimico Inquinamento termico Inquinamento chimico Calore utile CHP Vs SHP SHP: Separated Heat and Power Energia elettrica ηt ηm ηc Lavoro utile Le Energia chimica mcHi Lavoro L Calore Q Energia termica ηt ηc Energia chimica mcHi Calore Q

10. Perdite meccaniche Inquinamento chimico Calore utile CHP Vs SHP CHP: Combined Heat and Power Produzione combinata di Energia elettrica ed Energia Termica ηt ηm ηc Lavoro utile Le Energia chimica mcHi Lavoro L Calore Q

11. CHP Vs SHP Schema esemplificativo dei bilanci energetici comparati Fonte: Tina Kaarsberg e Joseph Roop, “Combined Heat and Power: How Much Carbon and Energy Can it Save for Manifacturers?”

12. CHP Vs SHP Diagramma comparato delle efficienze (Si assume del 40% l’efficienza del generatore elettrico e dell’80% il generatore termico) Fonte: EPA

13. CHP Vs SHP Si prenda ad esempio un sistema che richiede contemporaneamente: 60 Unità di Energia Elettrica + 100 Unità di Energia Termica e si ipotizzino i seguenti rendimenti: 40 % nella produzione Elettrica, 80% in quella Termica Il bilancio energetico, nel caso di produzione separata, diventa:

14. CHP Vs SHP I sistemi cogenerativi raggiungono livelli di efficienza complessiva superiore all’80%, pertanto, se nell’esempio dell’utenza di prima si confrontassero le due ipotesi otterremmo il seguente bilancio energetico: Ottenendo una riduzione superiore al 27% (275 Vs 200)nel consumo di combustibile !

15. TECNOLOGIE CHP

16. Tecnologie CHP Impianti considerati cogenerativi ( Direttiva 2004/8/CE) • Turbine a gas a ciclo combinato con recupero di calore • Turbine a vapore a contropressione • Turbina a condensazione con spillamento di vapore • Turbine a gas con recupero di calore • Motore a combustione interna • Microturbine • Motori Stirling • Pile a combustibile • Motori a vapore • Cicli Rankine a fluido organico • Ogni altro tipo di tecnologia o combinazione di tecnologie che rientrano nella definizione di cogenerazione (articolo 3, lettera a)

17. Tecnologie CHP Classificazione degli impianti Gli impianti di cogenerazione possono essere classificati sulla base della POTENZA in: • Micro cogenerazione: unità di cogenerazione con una capacità massima inferiore a 50 kWe • Piccola cogenerazione: unità di cogenerazione con una capacità massima di inferiore a 1MWe • Media cogenerazione: unità di cogenerazione con una capacità massima compresa tra 1 e 10 MWe • Grande cogenerazione: unità di cogenerazione con una capacità massima superiore a 10 MWe

18. Tecnologie CHP PRINCIPALI MOTORI PRIMI UTILIZZATI NEGLI IMPIANTI COGENERATIVI

19. Turbine a gas GE – Nuovo Pignone

20. Turbine a gas Sistema basato sul ciclo termodinamico di Brayton Esistono numerose varianti ottenute adottando integrazioni sul sistema base al fine di recuperare energia sia elettrica che termica e per ottimizzare i rendimenti dei vari stadi del ciclo

21. Turbine a gas Principali caratteristiche 1 - Recupero termico: le turbine a gas generano gas di scarico ad alta temperatura e quindi di buona qualità. Queste caratteristiche consentono pertanto di: • Integrare sistemi di recupero dell’energia con turbine ausiliarie (sistemi HRSG) • Impiegare direttamente i gas in processi tecnologici di riscaldamento/essiccamento • Consentire alte efficienze nel recupero termico finale, sia allo scarico che nel circuito di raffreddamento

22. Turbine a gas Principali caratteristiche 2 – Elevata flessibilità nella scelta del combustibile: Le turbine a gas possono essere alimentate praticamente con tutti i tipi di gas combustibili. Sono pertanto integrabili in una filiera bioenergetica (biogas) 3 – Affidabilità e durata: le turbine a gas sono altamente affidabili. Ne è la prova che l’intervallo tra le revisioni manutentive è dell’ordine delle 25.000 – 50.000 ore di funzionamento (fonte EPA)

23. Turbine a gas Principali caratteristiche 4 – Applicabilità: le turbine a gas hanno un campo di applicazione per impianti da 500 kW a 250 MW di potenza elettrica Si fa ricorso alle turbine a gas quando è richiesto di privilegiare la produzione di Energia Elettrica a scapito della Termica. Quest’ultima è percentualmente più bassa che in altre soluzioni CHP ma di ottima qualità (alta temperatura). Ciò comporta però che il rendimento complessivo del sistema si attesta mediamente al 70% 5 – Emissioni: La combustione ad alta temperatura dei gas genera l’emissione di NOx e di CO. In relazione alla dimensione e dell’ubicazione dell’impianto e del livello di purezza dei gas, è possibile prevedere l’integrazione di sistemi di abbattimento degli inquinanti con filtri catalitici

24. Turbine a gas Esempio di dimensionamento di turbina a gas di media potenza (attorno ai 10 MW)

25. Spaccato di una turbina a gas – Produttore: GE -Nuovo Pignone

26. Turbine a gas Spaccato di una turbina a gas accoppiata al generatore – Produttore: MAN

27. Turbine a vapore GE – Nuovo Pignone

28. Turbine a vapore Macchine motrici a “combustione esterna”. Il fluido motore, fatto evaporare in apposito generatore di vapore, espande in turbina a produrre energia meccanica Si possono annoverare due tipologie, con o senza spillamenti: Turbina a condensazione Turbina a contro pressione

29. Turbine a vapore La macchina è inserita all’interno di un impianto che realizza il ciclo termodinamico di Rankine seguendo le fasi di evaporazione espansione ed eventuale condensazione

30. Turbine a vapore Principali caratteristiche 1 - Recupero termico: possibilità di ottenere elevati valori di rendimento termico globale fornendo calore ad elevata temperatura 2 - Elevata flessibilità nella scelta del combustibile: Possibilità di alimentare il bruciatore con qualsiasi tipo di combustibile anche non pregiato. Pertanto integrabili in una filiera bioenergetica

31. Turbine a vapore Principali caratteristiche 3 – Affidabilità e durata: le turbine a vapore sono altamente affidabili. La vita media può raggiungere i 50 anni. Se correttamente condotte (adeguati warm up) le attività manutentive importanti sono legate all’eliminazione dei depositi. 4 – Applicabilità: le turbine a vapore hanno un campo di applicazione per impianti da 50 kW a 250 MW di potenza elettrica Si fa ricorso alle turbine a vapore quando è richiesto elevata produzione di Energia termica. 5 – Emissioni: Le emissioni sono legate al tipo di combustibile utilizzato nel generatore di vapore.

32. Motore a combustione interna Motore a combustione interna

33. Motore a combustione interna Macchine motrici a “combustione interna” che seguono il ciclo termodinamico Sabathe o Diesel Ciclo Sabathe’ Ciclo Diesel

34. Motore a combustione interna Principali caratteristiche 1 - Recupero termico: possibilità di ottenere elevati valori di rendimento termico globale fornendo calore a temperatura non troppo elevata 2 - Elevata flessibilità nella scelta del combustibile: Possibilità di alimentare il motore con un ampia gamma di combustibili sia liquidi che gassosi. Pertanto integrabili in una filiera bioenergetica 3 – Affidabilità e durata: elevate 4 – Applicabilità: campo di applicazione molto vasto da 5 kW a 10 MW di potenza elettrica. Elevata flessibilità operativa. 5 – Emissioni: Significative emissioni di NOx

35. Motori a combustione interna Esempio di prestazioni di un motore a combustione interna alimentato a metano

36. Celle a combustibile

37. H2 O2 H2O Celle a combustibile CELLE A COMBUSTIBILE Le celle a combustibile sono dispositivi atti a trasformarel’energia chimicagenerata dalla reazione tra due composti inenergia elettrica energia chimica: energia sviluppata o assorbita, principalmente sotto forma di calore, quando due elementi interagiscono trasformando la propria struttura molecolare + = 2H2 + O2 = 2H2O

38. Celle a combustibile Confronto tra conversione “convenzionale” termodinamica e conversione elettrochimica

39. Celle a combustibile Come funziona una cella a combustibile

40. Celle a combustibile Stack Ogni singola cella genera una tensione di circa 0.7 v e correnti comprese tra i 300 e 800 ma/cm2 pertanto risulta necessario disporre piu’ celle in serie per avere la tensione e la potenza volute

41. Celle a combustibile Principali tipi di celle /1 CELLE ALCALINE ( AFC Alkaline Fuel Cell):Usano un elettrolita costituito da idrossido di potassio ed operano a temperature intorno a 120 °C CELLE AD ELETTROLITA POLIMERICO (PEFC Polymer Electolyte Fuel Cell) :Usano come elettrolita una membrana polimerica ad elevata conducibilità protonica e funzionano a temperature comprese tra 70 e 100 °C • CELLE AD ACIDO FOSFORICO (PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell) :Usano come elettrolita una soluzione concentrata di acido fosforico funzionano a temperature prossime ai 200 °C

42. Celle a combustibile Principali tipi di celle /2 • CELLE A CARBONATI FUSI (MCFC Molten Carbonate Fuel Cell) :Usano come elettrolita una soluzione di carbonati alcalini fusa e funzionano a temperature prossime ai 650°C • CELLE OSSIDI SOLIDI (SOFC Solid oxide Fuel Cell) :Usano come elettrolita costituito da ossido di zirconio drogato con ossido di ittrio e funzionano a temperature elevate prossime ai 1000°C • CELLE A METANOLO DIRETTE (DMFC Direct Methanol Fuel Cell) :Usano come elettrolita una membrana polimerica ad elevata conducibilità protonica e funzionano a temperature comprese tra 70 e 120 °C

45. Celle a combustibile Curva caratteristica

46. Celle a combustibile Influenza delle condizioni operative sulle prestazioni della cella Curve caratteristiche al variare della pressione operativa Tensione di cella al variare della temperatura operativa

47. Celle a combustibile Perche’ utilizzare le celle a combustibile

48. Celle a combustibile Tipi di combustibili utilizzabili

49. Microturbine

50. Microturbine a gas Sistema basato sul ciclo termodinamico di Brayton