Pier Ruggero Spina Dip. di Ingegneria Università di Ferrara · Prestazioni di un cogeneratore ....

Pier Ruggero Spina

Dip. di Ingegneria

Università di Ferrara

La cogenerazione: inquadramento e stato dell'arte

Prof. Pier Ruggero Spina

Dipartimento di Ingegneria - Università di Ferrara

Presidente SC 04

"Sistemi e macchine per la produzione di energia"

Comitato Termotecnico Italiano

Pier Ruggero Spina

Dip. di Ingegneria


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La cogenerazione: introduzione e concetti di base

Pier Ruggero Spina

Dip. di Ingegneria


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energia elettrica

combustibile

SISTEMA

COGENERATIVO

energia termica

calore di scarto

per usi civili/terziari (riscaldamento, condizionamento, acqua sanitaria)

per usi industriali (sia calore che freddo per il processo produttivo)

autoconsumo AT/MT/BT

immissione in rete AT/MT/BT

La cogenerazione

produzione combinata, in un unico processo, di energia elettrica/meccanica e calore

energia meccanica ???

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elettricità

calore

a bassa T

calore scaricato

CICLO

MOTORE

RECUPERO

calore di scarto

combustibile

elettricità

calore

ad alta T

calore scaricato

COMBUSTORE

CICLO

MOTORE

combustibile

TOPPING BOTTOMING

Cogenerazione “topping” o “bottoming”

calore di scarto

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5

Ee

Ec

Et

SISTEMA

COGENERATIVO

c

ee

E

E

c

tt

E

E

tec

teUtot

E

EE

rendimento elettrico

rendimento termico

rendimento totale o

coefficiente di utilizzo

del combustibile

Prestazioni di un cogeneratore

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Combustibile PCS PCI PCS/PCI

idrogeno 144 000 121 000 119%

metanolo 22 513 19700 114%

gas naturale 55 765 50140 111%

gpl 50 071 46100 109%

gasolio 45 785 42860 107%

carbone (antracite) 34 378 33500 103%

olio vegetale (colza) 40 033 37400 107%

biodiesel 39 800 37100 107%

olio vegetale (palma) 39 133 36500 107%

olio combustibile 43 700 41000 107%

olio vegetale (soia) 39 343 36800 107%

biogas 19 679 17699 111%

gas d'altoforno 6 725 6050 111%

Coefficiente di utilizzo del combustibile

Se calcolato con riferimento al potere calorifico inferiore (PCI)

il limite superiore non è 100%

PCI

PCSU

[valori di PCI e PCS in kJ/kg]

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Primo principio termodinamica

CALORE = LAVORO

Secondo principio termodinamica

CALORE ≠ LAVORO

1 kJ di ACQUA CALDA ≠ 1 kJ di VAPORE ≠ 1 kJ di ELETTRICITA’


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Rendimento di primo principio

Rendimento di secondo principio

lecombustibiilconimmessaenergia

utileproduzioneUI

lecombustibiilconimmessaenergia

icamente""termdinampesatautileproduzioneII


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Ee

Ec

Et

SISTEMA

COGENERATIVO

Ecse

Et

CENTRALE

ELETTRICA

Ee

Ecst

CALDAIA

COGENERAZIONE PRODUZIONE SEPARATA

ts

t

es

e

ts

t

es

e

c

cs

ccs

EE

E

E

EEPESIRE

1

11

Ecs=Ecse+Ecst

es ts

Confronto con la produzione separata

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I combustibili sono una fonte energetica “trasportabile” (anche se in

taluni casi questo può risultare economicamente e/o energeticamente

non conveniente)

L’elettricità è un vettore energetico “trasportabile”

Il calore non è trasportabile (se non a brevi distanze)

IL COGENERATORE DEVE ESSERE UBICATO

PRESSO L'UTENZA TERMICA

Ubicazione del cogeneratore

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“Impianto di piccola/micro generazione un impianto per la produzione di energia elettrica, anche in assetto cogenerativo, con capacità di generazione non superiore a 1 MW o a 50 kW” (D.Lgs. n°20 del 8/2/2007)

“Generazione distribuita: insieme degli impianti di generazione di potenza nominale inferiore ai 10 MVA” (Delibera AEEG 328/07)

Definizioni di generazione distribuita

e di piccola e micro generazione

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I numeri italiani della produzione elettrica

(2010)

Disponibilità per il consumo = 330.000 GWh

produzione (87 %) importazioni (13 %)

termoelettrica (78 %) altro (22 %)

solo elettrica (52 %) cogenerazione (48 %)

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Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione

in funzione della tecnologia utilizzata (dati AEEG, anno 2010)

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Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione GD


T

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Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione PG


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Produzione elettrica e termica e indice elettrico

degli impianti di cogenerazione in funzione della tecnologia

utilizzata (dati AEEG, anno 2010)

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Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione


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Energia prodotta riconosciuta CAR e relativa potenza installata

(Relazione cogenerazione 2011 - MSE)

6000

7000

8000

9000

10000

35

40

45

50

55

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

pote

nza

in

stal

lata

(M

We) p

roduzio

ne (T

Wh

)

anno

produzione

elettrica

produzione

termica

potenza elettrica

installata

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6000

7000

8000

9000

10000

35

40

45

50

55

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

pote

nza

in

stal

lata

(M

We) p

roduzio

ne (T

Wh

)

anno

produzione

elettrica

produzione

termica

potenza elettrica

installata

Energia prodotta riconosciuta CAR e relativa potenza installata


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Risparmio di energia primaria conseguito con la CAR

rispetto alla produzione separata


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Tabella 1.1.2 – Potenza elettrica installata per settore di attività (dati GSE, anno 2006)

Potenza elettrica installata per settore di attività (dati GSE, anno 2006)

Attività taglia media (MWe)

Potenza installata (MWe)

Industria chimica e petrolchimica 114.3 2972

Raffinazione petrolio 136.6 2459

Industria cartaria 16.7 835

Industria siderurgica 185.0 370

Industria alimentare 11.9 202

Industria automobilistica 23.1 162

Industria ceramica 3.9 74

Riscaldamento e teleriscaldamento 12.5

997

Impianti sportivi, alberghi e ristoranti 0.1

Commercio 0.5

Ospedali 1

Case di riposo e simili 1.5

Concerie 2.0

529 Industria tessile, gomma e plastiche 3.0

Industria elettronica 9.0

Trasporti aerei 30.5

Le applicazioni della cogenerazione

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Le tecnologie per la cogenerazione

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Taglia impianto [kW]

Rendim

ento

ele

ttrico %

0 1 10 100 1000 104 105 106

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Celle a combustibile

Mot.

Stirling

Cicli ibridi con FC + turbina a gas

TPV Micro-turbine a gas

Cicli combinati

USC e

IGCC

TG AD

TV

TG HD

ORC

Le tecnologie di generazione elettrica

Pier Ruggero Spina

Dip. di Ingegneria


Taglia impianto [kW]

Rendim

ento

ele

ttrico %

0 1 10 100 1000 104 105 106

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Celle a combustibile

Mot.

Stirling

Cicli ibridi con FC + turbina a gas

TPV Micro-turbine a gas

Cicli combinati

USC e

IGCC

TG AD

TV

TG HD

ORC

Le tecnologie di generazione elettrica

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0%

10%

20%

30%

40%

50%

0.1 1 10 100 1000

MCI

MTG

Stirling

ORC

Taglia di potenza elettrica [kW]

Ren

dim

en

to e

lett

rico

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0.1 1 10 100 1000

MCIMTGStirlingORC

Taglia di potenza elettrica [kW]

Re

nd

imen

to t

erm

ico

Confronto tra le tecnologie di piccola cogenerazione

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0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50

MCI

MTG

Stirling

ORC

Rendimento elettrico [%]

Re

nd

ime

nto

te

rmic

o [

%]

U = 75 %

C = 1.00

C = 0.50

C = 0.25

C = 0.75

U = 100 %

Potenzialità delle tecnologie di cogenerazione

fino a 100 kWe

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Heat pump

COP

Ee = p e Ec

Ee,U = C Et

Et = COP Ee,t

Ee,t

CCOPCCOP

p

E

EE

1

1

e

c

tUe,U

Coefficiente di utilizzo del combustibile ηU

con pompa di calore

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p = 0.860

0.75


con pompa di calore

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p = 0.860

0.75


con pompa di calore

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p = 0.860

0.75


con pompa di calore

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31

Grazie per l’attenzione

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3204232912

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