(CAR) La Cogenerazione ad Alto Rendimento - Dott. Ing. Massimo Rivarolo
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La Cogenerazione ad Alto Rendimento
(CAR)
Dott. Ing. Massimo Rivarolo
massimo.rivarolo@unige.it
Scuola Politecnica Università di Genova
Thermochemical Power Group DIME – Sez. Maset
DIME – University of Genoa (Italy)
tpg.unige.it
Contenuti • Tipologie di impianti cogenerativi • Evoluzione della cogenerazione in Italia • La Direttiva Europea 2004/8/CE e la definizione di CAR • I vantaggi della qualifica CAR e i Certificati Bianchi Dott. Ing. M. Rivarolo
Definizione di cogenerazione • La cogenerazione è un processo in cui, in un medesimo impianto, si realizza la produzione di energia elettrica e termica ed entrambi i tipi di energia sono considerati prodotti utili; • La cogenerazione consente di limitare i consumi energetici e consente un uso più razionale dell’energia primaria, rispetto alla produzione separata. Dott. Ing. M. Rivarolo
Impianti per la cogenerazione - In funzione delle diverse tipologie impiantistiche e della taglia, si hanno a disposizione diverse soluzioni, in funzione anche della tipologia di carico Elettrico e termico. - Il rapporto tra elettricità e calore è fondamentale nella scelta. Dott. Ing. M. Rivarolo
Impianti per la cogenerazione Dott. Ing. M. Rivarolo
Micro - cogenerazione Dott. Ing. M. Rivarolo
Evoluzione in Italia
POTENZA INSTALLATA NEL 2017: 26,2 GW Fonte: Terna, elab. ARERA
Impianti di produzione combinata di energia elettrica e termica: evoluzione
della potenza installata dal 1991 a oggi
27.000
26.000 Vapore a cond. e spillamento Vapore a contropressione
25.000
24.000 Motori a combustione interna Turbine a gas con recupero
23.000
22.000 Cicli combinati
21.000
20.000
19.000
18.000
17.000
16.000
15.000
MW
14.000
13.000
12.000
11.000
10.000
9.000
8.000
7.000
6.000
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
0
1991 1993 1995 1997 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Dott. Ing. M. Rivarolo
Cogenerazione nel 2017
Fonte: dati Terna elaborati da ARERA
Incidenza percentuale dei combustibili utilizzati per la generazione
termoelettrica in Italia nel 2017
Totale: 98,70 TWh Totale: 110,13 TWh
100%
10,8%
90% 16,9%
1,9%
2,0% 0,1%
80% 2,2%
70% 32,9%
Altri combustibili
60% Prodotti petroliferi
0,1% Solidi
50%
Gas derivati
40% 78,8%
Gas naturale
30%
54,3%
20%
10%
0%
Impianti con sola produzione di energia elettrica Impianti con produzione combinata di energia elettrica
e calore
Dott. Ing. M. Rivarolo
Cogenerazione nel 2017
ENERGIA EL. PRODOTTA: 117,1 TWh (37,2% del totale nazionale)
Fonte: Terna, elab. ARERA
Tipologie di impianti di produzione combinata di energia elettrica e calore in Italia nel 2017
100%
95%
90% 89,0%
85%
80%
75% 72,2%74,1%
Potenza efficiente lorda
70%
Produzione lorda di energia elettrica
65%
Numero di sezioni
60%
55%
50%
45%
40%
35%
30%
25%
20% 14,8%
15% 12,9%
10% 4,5% 8,3% 5,3%
3,0% 3,9% 4,1% 2,7%1,3%1,8% 2,1%
5%
0%
Cicli combinati Turbine a gas con Motori a Vapore a Vapore a cond. e
recupero combustione interna contropressione spillamento
Dott. Ing. M. RivaroloNormativa nel tempo (1) Dott. Ing. M. Rivarolo
Normativa nel tempo (2)
La Direttiva Efficienza Energetica (Direttiva 2012/27/EU), recepita in Italia
con il d.lgs. 102/14, ha abrogato la Direttiva 2004/8/CE, che aveva
introdotto per la prima volta la Cogenerazione ad Alto Rendimento,
mantenendone comunque inalterati i principi.
Il Regolamento Delegato UE 2015/2402 ha aggiornato i valori di
rendimento di riferimento in applicazione della Direttiva 2012/27/EU, a
decorrere dall’1 gennaio 2016.
Dott. Ing. M. RivaroloLa direttiva 2004/8/CE
(abrogata dalla direttiva 2012/27/UE)
e la Cogenerazione ad Alto
Rendimento
Dott. Ing. M. RivaroloConcetto di CAR La Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) si basa sul concetto di Primary Energy Saving (PES). Un impianto CAR garantisce un valore minimo del PES, cioè garantisce un risparmio energetico in termine di energia primaria (e quindi di combustibile), rispetto a due impianti di produzione separata di energia elettrica e calore. I concetti di efficienza energetica e risparmio energetico sono tra I punti di maggiore rilievo verso il raggiungimento degli obiettivi europei al 2020 e al 2030. Dott. Ing. M. Rivarolo
Politiche ambientali europee (1)
A inizio marzo 2007, si è prefissato di raggiungere entro il 2020:
a) la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra di almeno il 20%
rispetto al 1990 (obiettivo vincolante);
b) una quota del 20% di energie rinnovabili sul totale dei consumi
energetici lordi dell’Unione europea (obiettivo vincolante), con un
contributo minimo del 10% di biocarburanti al consumo di combustibili per
autotrazione in ciascuno dei Paesi membri. Tale obiettivo comunitario è
distinto in obiettivi vincolanti nazionali;
c) risparmio dei consumi energetici dell’Unione europea del 20% rispetto
alle proiezioni, contenute nel Libro verde sull’efficienza energetica della
Commissione europea. Questo obiettivo non è vincolante.
A seguito di tali decisioni è stato implementato il pacchetto clima-energia europeo,
approvato il 18 dicembre 2008.
Dott. Ing. M. RivaroloDirettive europee
Direttiva Fonti Energetiche Rinnovabili (Direttiva 2009/28/CE), recepita in
Italia con il d.lgs. 28/11
Direttiva Emission Trading (Direttiva 2009/29/CE), di modifica della pre-
esistente Direttiva 2003/87/CE, recepita in Italia con il d.lgs. 30/13
Direttiva sulla qualità dei carburanti (Direttiva 2009/30/CE)
Direttiva Carbon Capture and Storage - CCS (Direttiva 2009/31/CE)
Decisione Effort Sharing (Decisione 2009/406/CE)
Regolamento CO2 Auto (Regolamento 2009/443/CE)
Direttiva Efficienza Energetica (Direttiva 2012/27/EU), recepita in Italia
con il d.lgs. 102/14
Dott. Ing. M. RivaroloPolitiche ambientali europee (2)
Il 23-24 ottobre 2014, si è prefissato di raggiungere entro il 2030:
a) la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra di almeno il 40%
rispetto al 1990 (obiettivo vincolante);
b) una quota del 27% di energie rinnovabili sul totale dei consumi
energetici lordi dell’Unione europea (obiettivo vincolante). Tale obiettivo
comunitario non sarà più distinto in tanti obiettivi vincolanti nazionali;
c) risparmio dei consumi energetici dell’Unione europea del 27% rispetto
alle proiezioni del futuro consumo di energia sulla base dei criteri attuali
(obiettivo indicativo, da rivedere nel 2020 e forse da innalzare al 30%).
Questi obiettivi dovrebbero essere raggiunti senza definire strumenti nuovi e
aggiuntivi rispetto a quelli attuali.
Dott. Ing. M. RivaroloRiconoscimento CAR
FCHP
1 PESmin
H CHP ECHP
Ref H Ref E
Dott. Ing. M. RivaroloDefinizione di calore utile Il calore utile (HCHP) è calore prodotto da unità CHP e fornito a una rete di distribuzione o a un processo che lo utilizza. È calore che altrimenti sarebbe fornito da altre fonti. Dott. Ing. M. Rivarolo
Rendimento elettrico di riferimento
Ref E es p
Il rendimento elettrico di riferimento ηes viene calcolato considerando il PCI
del combustibile in condizioni ISO (T 15 °C, p 1.013 bar, umidità rel. 60%).
I valori dipendono anche dall’anno di costruzione dell’impianto.
Dott. Ing. M. RivaroloPerdite di rete: il fattore p Poiché gli impianti CHP devono produrre calore utile, essi sono generalmente situati nei pressi degli utenti di calore. In generale, ridurre il trasporto di energia elettrica, favorendo il consumo presso il sito di produzione, permette di ridurre le perdite di rete. Tale riduzione delle perdite dipende dal livello di tensione con cui l’impianto CHP è connesso alla rete elettrica. Dott. Ing. M. Rivarolo
Rendimento termico di riferimento I valori di riferimento per il rendimento termico dipendono dal combustibile. Inoltre, essi sono influenzati dalla presenza o meno di un fluido per il ritorno del calore residuo (acqua/vapore) dopo aver soddisfatto la domanda termica: in caso di uso diretto dei gas di scarico non si ha fluido di ritorno, pertanto il rendimento termico assume valori inferiori. Dott. Ing. M. Rivarolo
Schema di principio calcolo CAR Dott. Ing. M. Rivarolo
Schema di principio calcolo CAR Dott. Ing. M. Rivarolo
Confini di impianto Dott. Ing. M. Rivarolo
Confini di impianto Dott. Ing. M. Rivarolo
Confini di impianto Dott. Ing. M. Rivarolo
Confini di impianto AUSILIARI: “La quantità di energia elettrica prodotta in cogenerazione è misurata ai morsetti del generatore. Da tale quantità non deve essere sottratta l’energia elettrica usata internamente dalla unità di cogenerazione per il proprio funzionamento ”(D.Lgs 04/08/2011, Allegato II, Fase 5) Dott. Ing. M. Rivarolo
Calcolo del rendimento globale
Se il rendimento globale
non raggiunge la soglia
indicata in tabella,
l’impianto deve essere
diviso in una sezione
cogenerativa ed una
sezione NON
cogenerativa.
Il PES ed i benefici relativi vengono calcolati SOLO sulla parte cogenerativa!
Dott. Ing. M. RivaroloCalcolo del rendimento globale Dott. Ing. M. Rivarolo
Il coefficiente β Il coefficiente β rappresenta la mancata produzione di energia elettrica per unità di energia termica estratta da una turbina a vapore. Si calcola solo quindi nel caso di impianti cogenerativi che includono una turbina a vapore a condensazione per estrazione del vapore. Ha valori di riferimento tabulati, ma dipende dalle condizioni di esercizio dell’impianto. Dott. Ing. M. Rivarolo
Calcolo del PES
STEP 1
si calcola il rendimento elettrico, escludendo la parte CHP:
E H CHP
EL ,noCHP
F
β è un coefficiente che rappresenta la mancata produzione elettrica dovuta a
estrazione di vapore nelle turbine a vapore (se presenti nell’impianto) per
scopi cogenerativi.
Se non ci sono turbine a vapore, ovviamente β=0.
STEP 2
Si calcola l’indice elettrico:
EL ,noCHP overall
C
overall EL ,noCHP
ECHP C H CHP
Dott. Ing. M. RivaroloCalcolo del PES
STEP 3
Avendo calcolato l’indice elettrico (rapporto tra energia elettrica CHP e calore
utile), si divide l’impianto in parti CHP e non-CHP
ECHP C H CHP
E noCHP E ECHP
EnoCHP
FnoCHP
EL ,noCHP
FCHP F FnoCHP
STEP 4
Ora si può calcolare il PES, considerando solo la parte CHP
Dott. Ing. M. RivaroloRappresentazione grafica
0,6
0,575
0,55
0,525
0,5 A
0,475
0,45 P
Q
0,425
0,4
0,375
0,35 E
0,325 Limite assoluto
Ee/Ec
0,3 = 100%
0,275
0,25
0,225
0,2 IRE
0,175 IRE = 0,10
0,15 C = 1,12
0,125
0,1
0,075 Indice elettrico
= 80%
0,05
0,025
D
0
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1
Et/Ec
Dott. Ing. M. RivaroloRappresentazione grafica (2)
P: punto di funzionamento dell’unità cogenerativa
Q: punto di massimo recupero termico
A: punto di funzionamento solo elettrico
La zona di possibile funzionamento è limitata da alcune zone:
- Il rendimento elettrico è limitato a 0,6 per motivi tecnologici
- Il rendimento globale di massimo recupero termico è definito, in
questo caso, pari a 0,8 (es.: ciclo combinato).
Dott. Ing. M. RivaroloBenefici CAR
1) Riconoscimento dei titoli di efficienza energetica (TEE) o certificati bianchi
(CB), correlati al risparmio di energia primaria.
I criteri applicativi sono definiti nel DM del 5 settembre 2011.
2) Precedenza nel dispacciamento dell’energia elettrica in rete rispetto a
quella prodotta da impianti convenzionali (art. 11, comma 4 del DL del 16
marzo 1999, n.79)
3) Possibilità di accedere al servizio di scambio sul posto dell'energia
elettrica prodotta da impianti di CAR con potenza nominale fino a 200 kW
(deliberazione dell’Autorità del 3 giugno 2008 – ARG/elt 74/08)
4) Semplificazioni in materia di connessioni
(Deliberazione dell’Autorità del 24 luglio 2008 - ARG/elt 99/08)
5) Esenzione del pagamento degli oneri generali di sistema (SEU/SEESEU)
6) agevolazioni fiscali sull’accisa del gas metano utilizzato per la
cogenerazione (DL 2 febbraio 2007, n. 26)
Dott. Ing. M. RivaroloCalcolo dei Certificati Bianchi Il numero di CB riconosciuti è legato al risparmio energetico conseguito: Dott. Ing. M. Rivarolo
Calcolo dei Certificati Bianchi NOTA: per il calcolo di K non ci si basa sulla potenza installata, bensì sulla potenza media nelle fasi di produzione, ponderata sulle ore di utilizzo. Dott. Ing. M. Rivarolo
Esempio per il calcolo di K
Si consideri un impianto con i seguenti dati:
- Produzione di energia pari a 100.000 MWh/anno
- Produzione di energia CAR pari a 80.000 MWh/anno
- Ore lavorative pari a 5.000 h/anno
La potenza media dell’impianto è pari quindi a 80.000/5.000 = 16 MW
Si passa quindi a determinare K come segue:
1,4 1 1,3 (10 1) 1,2 (16 10)
K 1,269
16
Dott. Ing. M. RivaroloQuanto vale un CB? I Certificati Bianchi (CB) possono essere ritirati dal GSE al prezzo, costante, riconosciuto ai gestori di rete soggetti all’obbligo valevole per l’anno di entrata in esercizio dell’impianto. In alternativa, il loro valore può essere negoziato. I valori, nel caso di ritiro da parte del GSE, per gli ultimi anni sono stati pari a: 93,68 €/TEE (2011) 86,98 €/TEE (2012) 110,27 €/TEE (2013) 105,83 €/TEE (2014) 114,83 €/TEE (2015) 118,37 €/TEE (2016) Tuttavia, al fine di ottenere ricavi più alti, la maggior parte dei produttori ha scelto Di negoziare i valori dei CB (o TEE). Dott. Ing. M. Rivarolo
Esempio applicativo di calcolo
Per un impianto cogenerativo ad alto
rendimento
Dott. Ing. M. RivaroloDati dell’impianto
Si considera un impianto a ciclo combinato cogenerativo installato nel Nord Italia,
avente i seguenti dati:
Potenza elettrica nominale 80 MW
Potenza termica nominale 80 MW
Produzione elettrica E = 333 GWh/anno
Produzione termica H = 116 GWh/anno
Rendimento elettrico 50,7 %
Facendo riferimento alle tabelle della Direttiva 2004/8/CE si ricava:
Rendimento elettrico di riferimento 52,5 % (impianto a GN)
Dott. Ing. M. RivaroloCalcolo del rendimento globale
Il calcolo dell’energia immessa sotto forma di combustibile è:
333
Ec 656,8GWh / anno
0,507
Il rendimento globale dell’impianto risulta:
EE ET 333 116
globale 0,68
EC 656,8
Essendo tale rendimento minore di 0,80 previsto per impianti di questo tipo,
Bisogna procedere a una suddivisione dell’impianto in sezione cogenerativa e
Non cogenerativa.
I bonus per la CAR saranno applicati SOLO alla parte cogenerativa.
Dott. Ing. M. RivaroloCalcolo della parte CAR
Calcolo del coefficiente Ceff (indice elettrico effettivo), definito come:
Dove β è un coefficiente che rappresenta la mancata produzione di energia
elettrica per unità di energia termica estratta. Ha valori di riferimento tabulati,
ma dipende dalle condizioni di esercizio dell’impianto.
Nel caso in analisi l’indice elettrico effettivo si calcola come segue:
EE ET 333 0,217 116
nonCHP, E 0,545
EC 656,8
0,545 0,217 0,80
Ceff 1,456
0,80 0,545
Dott. Ing. M. RivaroloCalcolo della parte CAR
A questo punto, avendo calcolato l’indice elettrico, è possibile dividere la parte
cogenerativa da quella non cogenerativa:
ECHP 1,456 116 169GWh
ENONCHP 333 169 164GWh
164
EC NONCHP 301GWh
0,545
EC 656,8 301 355,8GWh
A questo punto posso calcolare il PES; solo sulla parte cogenerativa, e
calcolare il numero di Certificati Bianchi, sempre sulla parte cogenerativa.
Dott. Ing. M. RivaroloCalcolo del PES e dei CB
Il PES viene calcolato solo sulla parte cogenerativa dell’impianto:
355,8
PES 1 0,25
116 169
0,90 0,525
A questo punto posso calcolare RISP e il numero di certificati bianchi:
CB RISP 0,086 k
RISP 321,9 128,9 355,8 95GWh 95000MWh
CB 95000 0,086 1,2 9800
Considerando il prezzo di ritiro del 2014, si ottiene un guadagno pari a:
CB 98000 105,83 1,04M €
Dott. Ing. M. RivaroloLa Cogenerazione ad Alto Rendimento
(CAR)
Dott. Ing. Massimo Rivarolo
massimo.rivarolo@unige.it
Scuola Politecnica Università di Genova
Thermochemical Power Group DIME – Sez. Maset
DIME – University of Genoa (Italy)
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