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La cogenerazione industriale in Italia
Ennio Macchi
Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano
Mantova - 29 ottobre 2014
Cogenerazione ad alto rendimento:
prospettive, applicazioni e vantaggi
per le imprese
Ennio Macchi
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CONTENUTI DELLA PRESENTAZIONE
• Premesse termodinamiche/tecnologiche
• Il quadro attuale (dati Terna 2013) per impianti di grande taglia
• Il quadro attuale della cogenerazione nella generazione distribuita (GD < 10 MVA, dati AEEG 2012)
• Il quadro attuale della cogenerazione di piccola taglia (PG < 1 MWel , dati AEEG 2012)
• Le prospettive della micro-cogenerazione (MG<50 kWel , dati inesistenti)
Ennio Macchi
3 PERCHÉ TANTO ENTUSIASMO PER LA COGENERAZIONE,
IN SEDE EUROPEA E INTERNAZIONALE?
• Perché è imbattibile in termini di risparmio energetico (se ben applicata)
• E’ facile, senza grandi sforzi tecnologici, fare meglio dei migliori impianti per sola generazione di energia elettrica (guadagnare un punto di rendimento con impianti convenzionali è un’impresa ardua, guadagnarne molti con la cogenerazione è facile)
• Perché i risparmi energetici corrispondono a importanti benefici ambientali (locali e planetari)
• Gran parte della cogenerazione è basata sul gas naturale, il combustibile più pulito e utilizza turbine a gas, le macchine dove si realizza la miglior combustione (minori quantità di NOx)
• Anche i motori alternativi a gas hanno fatto progressi formidabili in termini di abbattimento di emissioni
• Perché i risparmi energetici corrispondono a importanti benefici ambientali (locali e planetari)
• Minori emissioni di gas serra
Ennio Macchi
4 Le tecnologie di oggi e di domani (combustibili fossili)
Taglia impianto [kW]
Ren
dim
en
to e
lett
rico
, %
0 1 10 100 1000 104 105 106
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Celle a combustibile
(Cap.5)
MCFC
Mot.
Stirling
(Cap. 3)
Cicli ibridi con FC + turbina a
gas (Cap. 5.6)
TPV
(Cap. 6)
Micro-turbine a gas
(Cap. 4)
Cicli
combinati
USC e
IGCC
TG AD
TV
TG HD
PAFCSOFC
PEM
Motori a c.i (Cap. 3.1)
MICRO MINI
Ennio Macchi
5 GRANDI RISPARMI, SENZA MIRACOLI TECNOLOGICI
!
BASTA UNA MACCHINA CON UN RENDIMENTO DEL 32% PER RISPARMIARE IL 18.3%
SE VOLESSI OTTENERE LO STESSO RISPARMIO CON UN CICLO COMBINATO PER SOLA
GENERAZIONE ELETTRICA, DOVREI AVERE UN RENDIMENTO MEDIO ANNUO > 64%
Ennio Macchi
Cogenerazione (tutte le taglie)
Tecnologia dominante = CC DATI 2012 (da AEEG)
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Ennio Macchi
7 Rapporti energia elettrica e calore
(DATI 2012 (da AEEG)
Tutti più alti del valore ottimale per il risparmio energetico
Tutti più alti del valore ottimale
per il risparmio energetico!
Ennio Macchi
Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia (2013)
con riferimento al gas naturale (dati TERNA, elaborati POLIMI) 8
.
TECNOLOGIA
energia
elettrica lorda
Calore utile eta el eta ter eta tot eta eq
(rif.90%
PES (rif.
52.5% e 90%)
GWh % GWh % % % % % %
cicli combinati 58039 86,2 22531 65,7 46,5 18,0 64,5 58,1 7,9
motori a C.I. 5351 7,9 4478 13,1 38,7 32,4 71,1 60,5 8,9
Vapore a CS 380 0,6 786 2,3 23,9 49,4 73,3 52,9 0,3
Vapore a CP 265 0,4 1676 4,9 11,1 70,5 81,6 51,3 -0,5
turbine a gas 3293 4,9 4831 14,1 27,9 40,9 68,9 51,2 -1,4
Totale 67328 100,0 34302 100,0 43,6 22,2 65,8 57,8 7,1
Totale solo
produzione
e.e. a gas
naturale 41021 0,0 51,4 0,0 51,4 51,4 -2,1
totale cicli
combinati solo
produzione
e.e. a gas
naturale 37113 0 52,3 0,0 52,3 52,3 -0,4
Ennio Macchi
Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia (2013)
• Connotati caratterizzanti:
• Il contributo della cogenerazione a gas naturale alla produzione termoelettrica complessiva è molto significativo (67,3 su 192,23 TWh)
• Si utilizza molto più GN in impianti di cogenerazione che in centrali termoelettriche per sola produzione elettrica
• E’ fortemente sbilanciata (anche se meno del passato) sulla produzione elettrica (67,3 TWhel contro 34,38 TWht)
• La tecnologia dominante è il ciclo combinato (58,0 su 67,3 TWh )
• Seguono (a grande distanza) i MCI e le TG
• Ruolo modesto dei cicli a vapore (una volta la tecnologia dominante)
Il risparmio di energia primaria, rispetto a una generazione separata moderna (rendimento medio dell’attuale parco termoelettrico italiano a gas naturale, caldaie con rendimento 90%) è significativo (8,6%)
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Ennio Macchi
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• Nessuna tecnologia raggiunge PES>10% (in media)
• Molti impianti esistenti potrebbero essere meglio gestiti (nessuna tecnologia in media raggiunge un rendimento totale pari a 75%)
• Molti impianti dissipano all’ambiente troppa energia
• La domanda termica soddisfatta da impianti a vapore a condensazione e spillamento alimentati a gas naturale è relativamente modesta, buona parte delle trasformazioni in ciclo combinato di questi impianti è già avvenuta.
• Vi ancora spazio per operazioni di repowering di impianti attualmente utilizzanti cicli a vapore a contropressione
Il quadro complessivo della cogenerazione in Italia
con riferimento al gas naturale e alla direttiva europea
Ennio Macchi
Come si muove il mercato (dal 2005 al 2013, dati Terna)
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• Forte incremento della produzione dei motori alternativi a
combustione interna
• Diminuzione della produzione delle turbine a gas
• Quasi sparizione della produzione di impianti a contropressione
Ennio Macchi
C’è ancora spazio per la cogenerazione industriale?
• Che frazione dei circa 15 miliardi di mc/anno (circa 150 TWh/anno)
di GN destinati all’industria va a generare calore in modo inefficiente?
• Quante caldaie industriali potrebbero essere sostituite da sistemi
cogenerativi?
• Quali risparmi di energia primaria e di emissioni di gas clima-alteranti
si potrebbero ottenere?
• Che frazione dei circa 30 miliardi di mc/anno destinati a civile e
terziario potrebbe essere destinata a sistemi cogenerativi?
Sono convinto che il potenziale
sia molto interessante!
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Ennio Macchi
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GD (< 10 MVA)
Ennio Macchi
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Sottostazioni
Utenze Commerciali
Utenze Industriali
Utenze CommercialiUtenti residenziali
MOTORI
MOTORI
Fuel cellMotori
TG
VolaniBATTERIE
FUEL CELLTurbina a Gas
Sottostazioni
Utenze Commerciali
Utenze Industriali
Utenze CommercialiUtenti residenziali
MOTORI
MOTORI
Fuel cellMotori
TG
VolaniBATTERIE
FUEL CELLTurbina a Gas
GENERAZIONE DISTRIBUITA Quali nuovi spazi per la generazione distribuita?
Ennio Macchi
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Impianti con potenza < 10 MVA (fonte: AEEG)
Diminuita la produzione da combustibili fossili
2009
2012
Ennio Macchi
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Ennio Macchi
17 Cogenerazione GD (<10MVA) nel 2012
Ennio Macchi
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Ennio Macchi
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PG < 1 MWel
Ennio Macchi
20 Piccola generazione: boom delle rinnovabili, non della
cogenerazione
2009
2012
Ennio Macchi
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Piccola generazione: boom
delle rinnovabili, non della
cogenerazione
Ennio Macchi
22 PG: Dominano i motori alternativi
Ennio Macchi
23 Dai grandi impianti ai micro-impianti…
Non c’è solo la grande
cogenerazione
industriale
L’Italia è piena di PMI
Terziario
Residenziale
Ennio Macchi
24 Ci piacerebbe che, fra dieci anni, migliaia (milioni?) di cucine italiane si presentassero così…. Fra gli elettrodomestici, anche un microcogeneratore inserito nella
cucina
motore Stirling
(o altro
microcogeneratore)
•Il motore sostituisce/integra la caldaietta
domestica nella generazione di calore e
contemporaneamente cogenera energia
elettrica, interfacciandosi sulla rete BT,
con cui scambia energia elettrica in modo
“intelligente”, esportandola nei periodi in
cui è pregiata, importandola quando è
poco pregiata
•In Italia si vende oltre un milione di
caldaiette a gas
Ennio Macchi
25 Tutte le tecnologie consentono risparmi energetici importanti, se operano con recupero integrale del calore
Recupero termico
realistico
Ennio Macchi
Un laboratorio del dipartimento di Energia
del Politecnico di Milano
Ennio Macchi
L’interno della cella di prova del laboratorio di
microcogenerazione (da 1 kWe a 100 kWe)
Prove su ogni tipologia di microcogeneratore e trigeneratore
Ennio Macchi
Sala controllo
Impianto
idraulico