Formazione SESEC Modulo 5: Fonti Rinnovabili e co-generazione

Co-funded by the Intelligent
Energy Europe Programme of
the European Union 1Introduzione - Teoria - Esercizi - Caso Studio - Conclusioni

the European Union 2
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 - Teoria - Esercizi - Caso Studio - Conclusioni

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
Cogenerazione
Fonti rinnovabili
Produzione 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

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
Temperature
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 SOLARE
Solare termico: caratteristiche

Sistemi a ciclo chiuso
• Adsorbimento
• Assorbimento
Sistemi a ciclo aperto
• Sistemi DEC (Desiccant & Evaporative Cooling Systems)
ENERGIA SOLARE
Solar cooling
Solar
collector
Dehumidificationwheel
Heatrecoverywheel
HumidifierHumidifier
Intake
Exhaust
Return air
Supply air

• Tecnologia relativamente recente
• Alti costi per taglie piccole
• Assenza di emissioni locali di CO2
• Silenziosità
• Variabilità
• Possibilità di accumulo
ENERGIA SOLARE
Solar 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 SOLARE
Fotovoltaico
inverter
End users Grid
Direct
current
Alternative
current

• Silenziosità
• Distribuzione sul territorio
• Bassa efficienza
• Produzione della sola energia elettrica
• Produzione intermittente
• Impatto ambientale
• Uso del suolo (agricoltura)
Fotovoltaico: caratteristiche
ENERGIA 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 SOLARE
Solare 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 BIOMASSA
Energia 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 EOLICA
Energia 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
• 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

• Produzione programmabile
• Accumulo
• Danni all’ecosistema
• Produzione di sola energia elettrica
ENERGIA IDROELETTRICA
Idroelettrica: 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
Calore
Q
Lavoro
L
Lavoro utile
Le
Inquinamento
chimico
Inquinamento
termico
Perdite
meccaniche
Calore
utile
Energia
elettrica
Energia
termica
CHP Vs SHP
ηmηtηc
Energia
chimica
mcHi
Calore
Q
ηt
ηc
SHPCHP
Energia
chimica
mcHi
Calore
Q
Lavoro
L
Lavoro utile
Le
Inquinamento
chimico
Perdite
meccaniche
Energia
elettrica
e
termica
Calore
utile
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
+ +
80
63
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.
COGENERAZIONE
CHP: 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.
COGENERAZIONE
CHP: 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

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
COGENERAZIONE
Legenda
SOFC: 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

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

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 Mwe
Capacità termica (totale) 1,27 MWt
Tecnologia Motor engine
N. di unità 1
Produttore Jenbacher
Tipo di combustibile Metano
Elettricità (produzione annuale) 2,37 GWh
Calore (produzione annuale) 2,57 GWh
Anno di costruzione 2006
Costo totale dell’investimento € 2.800.000
Finanziamento Fondi propri
Aiuti di Stato Certificati, riduzione tasse
Collocazione Tavagnacco,Italia

 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

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

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