Formazione SESEC Modulo 5: Fonti Rinnovabili e co-generazione

Co-funded by the Intelligent Energy Europe Programme of

the European Union 1

Fonti rinnovabili e

cogenerazione

Introduzione - Teoria - Esercizi - Caso Studio - Conclusioni



SOMMARIO Introduzione

– La cogenerazione e le fonti rinnovabili nelle reti intelligenti – Energia rinnovabile– Cogenerazione

Teoria- Energia solare- Energia da biomassa- Energia eolica- Energia geotermica- Energia idraulica- Tecnologie della cogenerazione

Esercizi Business Case Sommario




Introduzione




Cogenerazione e fonti energetiche rinnovabili per

reti intelligenti

Le smart cities si incentrano nella logica della generazione distribuita

Generazione distribuita (DG)

Alcune fonti energetiche rinnovabili sono caratterizzate da una grande discontinuità

Accumulo

rete

Efficienza energetica

UrbanoRuraleCarichi customizzati

Industria

Cogenerazione

Fonti rinnovabiliProduzione locale di energia

ICT

Bilanciamento

dei carichi




Si possono definire fonti energetiche rinnovabili quelle che hanno un tempo

di rigenerazione inferiore (o uguale) al tempo di utilizzo.

Pertanto non posso essere considerate rinnovabili le fonti fossili.

Le fonti rinnovabili sono:

• Solare

• Biomassa

• Eolica

• Geotermica

• Idraulica

Efficienza energetica (non è una fonte energetica, ma contribuisce a ridurre l’utilizzo di energia)

Energia rinnovabile




“… sistema integrato che converte l’energia primaria di una

qualsivoglia fonte di energia nella produzione congiunta di energia

elettrica e di energia termica (calore)…” [1]

Produzione combinata di energia elettrica e di calore

Definizione dalla Delibera AEEG n. 42/02 19 marzo 2002




Teoria



the European Union

Energia solare => riscaldamento, raffreddamento, illuminazione ed elettricità

Grande potenziale: In un’ora il sole fornisce l’energia necessaria, in base ai

consumi globali attuali, all’interno pianeta in un anno.

Tecnologie:

• solare termico

• solar cooling

• fotovoltaico

• solare a concentrazione

ENERGIA SOLARE




ENERGIA SOLARE

100 °C

Tem

pera

ture

150 °C

Produzione di acqua calda sanitaria

Riscaldamento o preriscaldamento fluidi di

lavoro (uso industriale)

Teleriscaldamento

Solare termico




•Tecnologia matura

•Assenza emissioni locali di CO2

•Silenziosità

•Variabilità

•Possibilità di accumulo

•Impatto ambientale variabile

ENERGIA SOLARESolare termico: caratteristiche




Sistemi a ciclo chiuso

• Adsorbimento

• Assorbimento

Sistemi a ciclo aperto

• Sistemi DEC (Desiccant & Evaporative Cooling Systems)

ENERGIA SOLARESolar cooling

Solar energy

Solar collector

Deh

umid

ifica

tion

whe

el

Hea

t rec

over

y w

heel

Hum

idifi

erH

umid

ifier

Intake

ExhaustReturn air

Supply air




•Tecnologia relativamente recente

•Alti costi per taglie piccole

•Assenza di emissioni locali di CO2

•Silenziosità

•Variabilità

•Possibilità di accumulo

ENERGIA SOLARESolar cooling: caratteristiche




Conversione diretta dell’energia solare in elettricità

• Alti costi dell’elettricità

• Possibilità di concentrazione

• Nuovi materiali organici al posto del silicio

• Stoccaggio dell’energia

• Batterie

• Acqua calda mediante effetto Joule

• Produzione di idrogeno

ENERGIA SOLAREFotovoltaico

Solar energy

Solar

cells

inverter

End users Grid

Direct current

Alternative current



the European Union14

• Assenza di emissioni locali di CO2

• Silenziosità

• Distribuzione sul territorio

• Bassa efficienza

• Produzione della sola energia elettrica

• Produzione intermittente

• Impatto ambientale

• Uso del suolo (agricoltura)

Fotovoltaico: caratteristicheENERGIA SOLARE




Concentra il sole per unità di superficie

Usi termici

•Parabolico lineare

•Sistemi a torre con ricevitore centrale

•Collettori lineari di tipo Fresnel

•Collettori a disco parabolici

Usi elettrici

•Termodinamico

–Parabolico lineare e sistemi a torre

ENERGIA SOLARESolare a concentrazione (CSP)

Recentemente vengono utilizzati sali fusi per migliorare il ciclo termodinamico


Fonte: ENEA Quaderno solare termico a bassa e media temperatura

Fonte: ENEA Quaderno solare termico a bassa e media temperatura



ENERGIA SOLARE


• Silenziosità

• Distribuzione sul territorio

• Produzione aleatoria

• Impatto ambientale (soprattutto per i sistemi a torre)

• Uso del suolo (suolo agricolo)

• Alte temperature raggiunte (T fino a 550° C )

• Miglioramento del ciclo termodinamico

• Necessità di riscaldare i sali fusi durante la notte

Solare a concentrazione (CSP): caratteristiche




• Processi termochimici

• Processi biochimici

Biocarburanti: la biomassa viene convertita in carburante

• Olio di colza e di girasole (biodiesel),

• Canna da zucchero, barbabietola, mais (bioetanolo).

Energia elettrica: Bruciando la biomassa direttamente o previa conversione

combustibili liquidi o gassosi (in modo da massimizzare l’efficienza), per generare

energia elettrica.

Bioprodotti: Conversione chimica della biomassa per la produzione di plastica e

altri prodotti derivati dal petrolio

ENERGIA DA BIOMASSA




Biomass

Organic wastes

Forest

Vegetables

Technological

transformation of products- Food

- No food

Agricultural-

Animals-

Vegetables

Energetic coltivations

Aquatic Land

ENERGIA DA BIOMASSA


[3] Fonte: Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici prof. ing. Francesco Asdrubali Energia dalle Biomasse



PRINCIPALI TECNOLOGIE DISPONIBILI PER L’USO DI BIOMASSA

ENERGIA DA BIOMASSA

Biomass

Wood

Oil-bearing crops

Glucose crops

Organic waste

Treatment (mechanics, thermochemical, biochemical)

Mechanics (Cips …)

Gasification

Carbonizzation

Pirolysis

Esterification

Alcoolic fermentation

Anaerobic digestion

Wood

Fuel

Gas

Coal

Oil

Ethanol

Internal Combustion Engine (Otto cycle)

Internal Combustion Engine (diesel cycle)

Gas Turbine Gas Microturbine

Boiler + steam turbine

Technology

Pirolysis




• disponibilità alla domanda

• possibilità di accumulo

• possibile la produzione sia di energia elettrica che di calore

• tecnologicamente in fase di sviluppo

• possibile utilizzo di diserbanti

• impatto ambientale (da molto limitato a non trascurabile)

ENERGIA DA BIOMASSAEnergia da biomassa: caratteristiche



the European Union

L’energia eolica è una forma di energia solare.

Tecnologie: turbine ad asse orizzontale e turbine ad asse verticale

Localizzazione : on shore/off shore

Potenze: fino ad 8 MW

ENERGIA EOLICA

Rotor

Breaking system

Tower and base

Overgear

Generator

Control system

Nacelle, yaw system

Fonte: ENEA opuscolo l’energia eolica [4]






- inquinamento acustico

- Biodiversità

- visivo

• Produzione intermittente

ENERGIA EOLICAEnergia eolica: caratteristiche




Utilizzo del calore terrestre presente sottoforma di vapore o acqua calda a

varie temperature [5]

•Sistemi idrotermici a vapore dominante

•Sistemi idrotermici ad acqua dominante

•Sistemi a rocce calde

•Sabbie geopressurizzate

L’energia geotermica viene classificata in funzione dell’entalpia

ENERGIA GEOTERMICA

Calore ad alta entalpia 630 kcal/kg

(vapore secco)

Calore a medio- alta entalpia 100-630 kcal/kg

(mix di acqua e vapore)

Calore a bassa entalpia 100 kcal/kg

(acqua a 100 ° C)




Alta entalpia

•Energia elettrica

•Vapore per uso industriale

Bassa-media entalpia

•balneologia and spa

•acquacoltura

•usi industriali

•essiccazione

•altri usi

ENERGIA GEOTERMICA




Usi domestici

• Tecnologia matura• Larga scala di potenza • Su richiesta • Impatto ambientale ridotto o trascurabile• Temperatura: 12-15 °C • Possibilità di raffrescamento• Riscaldamento con integrazione di pompe di calore

ENERGIA GEOTERMICA


Energia geotermica: caratteristiche


the European Union

Usa l’energia potenziale dell’acqua

Turbine diverse in funzione del salto idraulico disponibile.

• Pelton,

• Francis,

• Kaplan,

• Cross Flow (Banki)

• Coclea di Archimede

ENERGIA IDROELETTRICA




• Tecnologia matura


• Produzione programmabile

• Accumulo


• Danni all’ecosistema

• Produzione di sola energia elettrica

ENERGIA IDROELETTRICAIdroelettrica: caratteristiche




L’idea di cogenerazione è insita nel Secondo Principio della Termodinamica:

• Nelle tecnologie concretamente realizzabili e utilizzate, la frazione di calore scartato

è quasi sempre maggiore della frazione convertita in lavoro meccanico.

• Un generico ciclo termodinamico destinato a convertire calore in lavoro meccanico

deve necessariamente scaricare una parte del calore introdotto nel ciclo.

• 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.

COGENERAZIONE




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

COGENERAZIONE VS. PRODUZIONE SEPARATA




Energia chimica

mcHi

CaloreQ

LavoroL

Lavoro utileLe

Inquinamentochimico

Inquinamentotermico

Perditemeccaniche

Caloreutile

Energia elettrica

Energia termica

CHP Vs SHP

ηmηtηc

Energia chimica

mcHi

CaloreQ

ηtηc

SH

PC

HP

Energia chimica

mcHi

CaloreQ

LavoroL

Lavoro utileLe

Inquinamentochimico

Perditemeccaniche

Energia elettrica

e termica

Caloreutile

ηmηtηc

COGENERAZIONE




A) PRODUZIONE SEPARATA DI ELETTRICITA’ E CALORE(In tutte le figure abbiamo unità energetiche)

= 80/148 = 54%

50

( =80%)

30( =35%)

Perdite = 68

THERMAL REQUEST

ELECTRIC REQUEST

+ +

8063

85

148

IN

COGENERAZIONE


OUT



B) PRODUZIONE COMBINATA DI ELETTRCITA’ E CALORE

(In tutte le figure abbiamo unità energetiche)

50

30

IN

Perdite = 20

THERMAL REQUEST

ELECTRIC REQUEST

+COGENERATION

PLANT

80 100

= 80/100 = 80%

100

COGENERAZIONE




L’utilizzo di sistemi di cogenerazione

permette di ridurre i consumi di energia

primaria dal 15-40% a partita di energia

elettrica e calore prodotto.

COGENERAZIONE




• 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: minore consumo di combustibile implica minori 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.

COGENERAZIONECHP: caratteristiche 1/2




• 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.

COGENERAZIONECHP: caratteristiche 2/2




La valutazione del risparmio può essere rappresentata in termini

matematici [1]:

COGENERAZIONE

CTHUCELC

C

/ Q + / W

F 1 =

F

F - F = ndexEfficencyI,,

Questo Indice di Efficienza fornisce un’idea di quanta energia può essere risparmiata con il CHP. Viene definito come il rapporto tra:• Fc-F: differenza tra energia primaria assorbita dall’SHP (Fc) e quella assorbita dal CHP (F), a

parità di energia elettrica e termica in uscita • Fc: energia primaria assorbita dall’SHP

Può essere espresso dalla seconda formula dove:• W: è l’energia elettrica in uscita• Qu: è l’energia termica in uscita• I due η sono, rispettivamente, il rendimento dell’impianto di generazione elettrica e della

caldaia Introduzione - Teoria - Esercizi - Caso Studio - Conclusioni



Componenti principali

• Motore

• Generatore

• Scambiatore

• Sistema di controllo

• Sistema di distribuzione

• Connessioni elettriche

• Cabina di trasformazione (se si prevede di vendere l‘energia elettrica)

COGENERAZIONE




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)

Impianti considerati cogenerativi [6]

Fonte: ENEA Desire – Net Project

COGENERAZIONE




Confronto delle efficienze tra i diversi generatori

COGENERAZIONELegendaSOFC: Solid Oxide Fuel Cell

MCFC: Molten Carbonate Fuel Cells

CCGT: Combined Cycle Gas Turbine

GT: Gas Turbine

ICE: Internal Combustion Engine

PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cells

PEM: Polymeric Electrolytic Membrane Fuel Cells

GT: Gas Turbine

MT: Micro Turbine




Esercizi




Supponendo di avere un fabbisogno di energia elettrica di 80 kWh e di

energia termica di 90 kWh, calcolare la variazione dei consumi utilizzando

un CHP e un SHP.

Dati:

• centrale termoelettrica rendimento del 45%.

• centrale termica rendimento del 95%.

• cogeneratore: rendimento elettrico del 40% e rendimento termico del

45%

Risparmio di energia primaria




Risparmio di energia primaria

Riduzione dei consumi di circa il 27%


SHP CHP

Energia elettrica

Energia termica

Energia consumata (PCI)

80/0,45 = 178 kWh

90/0,95 = 95 kWh

273 kWh

80/0,40 = 200 kWh

90/0,45 = 200 kWh

200 kWh

Questo non deve essere sommato perchè si riferisce a una produzione simultanea di energia elettrica e termica



MOTORI AD ALTA EFFICIENZA

Quale dei seguenti profili di carico è indicato per la cogenerazione?

Diagramma b

Diagramma a




MOTORI AD ALTA EFFICIENZA

Quale dei seguenti profili di carico è indicato per la cogenerazione?

Diagramma b

Diagramma a Con utilizzo di sistema di accumulo




Caso studio




Esempio pratico“Hypo Alpe Adria”[7]

Impianto di trigenerazione per il riscaldamento e condizionamento di un distretto :

L’impianto di trigenerazione “Hypo Alpe Adria” si trova a Tavagnacco (UD) nella parte nord-

est dell’Italia.

Nella zona nord del distretto di Udine è stata costruita una zona residenziale con edifici

pubblici e privati, incluso una piscina, un hotel, una sede di una banca italiana e altre

strutture al servizio della comunità.

L’impianto “Hypo Alpe Adria” include un motore CHP da 1 MW di potenza elettrica e circa

1.3 MW di potenza termica.

Inoltre, sono state installate due caldaie con 1.2 e 2.0 MW di potenza termica.

L’impianto di condizionamento comprende due refrigeratori da 1 MW di potenza e un

refrigeratore ad assorbimento da 0.5 MW di potenza.




Capacità elettrica (totale) 1,06 MweCapacità termica (totale) 1,27 MWtTecnologia Motor engineN. di unità 1Produttore JenbacherTipo di combustibile MetanoElettricità (produzione annuale) 2,37 GWhCalore (produzione annuale) 2,57 GWhAnno di costruzione 2006Costo totale dell’investimento € 2.800.000 Finanziamento Fondi propriAiuti di Stato Certificati, riduzione tasseCollocazione Tavagnacco,Italia




Conclusioni




Alcune fonti rinnovabili presentano forti discontinuità di produzione.

Si rende necessaria la realizzazione di distretti energetici per

l‘ottimizzazione e l‘utilizzo dell‘energia prodotta.

I sistemi CHP dove si richiede la produzione di energia termica ed

elettrica rappresentano un modo per poter efficientare l‘utilizzo di fonti

primarie.

I CHP possono essere alimentati anche con fonti rinnovabili (biomassa).

Conclusioni




Bibliografia [1] AEEG (2002) n. 42/02 19 March, 2002 [2] www.roma1.infn.it/rog/pallottino/bacheca/Sole%20e%20rinnovabili.pdf [3] Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici prof. ing. Francesco Asdrubali Energia

dalle Biomasse [4] Opuscolo ENEA ENERGIA EOLICA [5] Francesco Zarlenga - ENEA [2011] EAI Energia Ambiente e Innovazione 3/2011 [6] European Parliament [2004] Directive 2004/8/EC on the promotion of cogeneration based on a

useful heat demand in the internal energy market and amending Directive 92/42/EEC [7] CODE PROJECT IEE – Cogeneration Case Studies Handbook [8] http://www.vestas.com/en/products_and_services/turbines/v164-8_0-mw#!at-a-glance


http://www.vestas.com/en/products_and_services/turbines/v164-8_0-mw



Riferimenti delle foto - 1 Slide 15 – ENEA Quaderno solare termico a bassa e media temperatura

www.enea.it/it/enea_informa/documenti/quaderni-energia/solare.pdf

Slide 21 – ENEA Opuscolo l’energia eolica

old.enea.it/produzione_scientifica/pdf_op_svil_sost/Op19.pdf

Slide 38 - ENEA Desire – Net Project

www.desire-net.enea.it


Engineering

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