Cogenerazione“tecnologie disponibili, aspetti

ambientale e gestionali”

Enrico Malusardi

Professore a contratto, Politecnico di Milano

Perché la cogenerazione?

• È la produzione combinata di calore e di energia elettrica

• Può essere applicata in uno stabilimento industriale caratterizzato da una importante e continua (per quanto possibile) domanda di calore

• Permette un risparmio di combustibile consentendo:

Minori costi variabili

Minore inquinamento atmosferico e termico (a livello globale)

• Grazie alla disponibilità di una produzione interna, può assicurare una maggiore continuità di alimentazione elettrica ad alcuni carichi dello stabilimento (utenze preferenziali)

Centrali termoelettriche di stabilimento

 OBIETTIVI (dal punto di vista tecnico): alimentazione carichi preferenziali produzione combinata calore-energia elettrica (risparmio combustibile) utilizzazione eventuali combustibili di risulta garantire una conveniente affidabilità

 FUNZIONI OBIETTIVO: minimizzare i costi totali (di esercizio, fissi, ammortamenti ed oneri finanziari)

del servizio vapore ed energia elettrica (autoprodotta, acquistata /venduta) rispetto dei vincoli esterni (produzione interna tale da garantire in ogni

condizione l’alimentazione dei carichi preferenziali, dimensionamento sistema tale da garantire lo smaltimento dei combustibili di risulta, etc)

La domanda di calore

Considerato che la produzione di calore risulta centralizzata, occorre:

• Scegliere un fluido vettore idoneo (vapore, acqua surriscaldata)

• Prevedere una rete di distribuzione (tubazioni aeree od interrate, sistemi di compensazione delle dilatazioni, sistemi di misura, sistemi di regolazione all’utenza, ecc)

• Scegliere un condizionamento chimico del fluido vettore compatibile con le caratteristiche della produzione dello stabilimento (ad esempio industria alimentare)

• Decidere cosa fare del fluido vettore dopo la cessione del calore:L’acqua surriscaldata viene solitamente rinviata alla centrale per il

riutilizzo (la rete deve essere a doppio tubo)La condensa del vapore potrebbe essere rinviata alla centrale oppure

riutilizzata ad esempio come acqua di processo evitando così problemi nei generatori di vapore in caso di suo inquinamento

Calore richiesto dalle utenze

CARATTERISTICHE OTTIMALI DEL FLUIDO DI TRASPORTO:alto calore specifico (basse portate)temperatura il più possibile costantepossibilità di regolazione prelievo mantenendo costante la temperatura FLUIDI PRATICAMENTE DISPONIBILI:acqua surriscaldatavapore

PUNTI CRITICI ACQUA SURRISCALDATA:alte pressioni (superiori a quella di vaporizzazione a pari temperatura) temperatura variabilenecessità di doppio tubo (andata e ritorno)difficoltà di regolazione (stazioni di pompaggio)investimenti per la stazione di preparazione PUNTI CRITICI VAPORE:problemi avviamento sistema (corrosioni)gestione rete distribuzione (condense e sistemi scarico condense)

Il dimensionamento del sistema 1/2

TECNOLOGIE ADOTTATE:TECNOLOGIE ADOTTATE:Generatori di vapore e turbine a contropressione o a derivazione e

condensazione (utilizzata fino alla fine degli anni ’70)Turbine a gas con generatori di vapore a recupero, eventualmente con

combustione supplementare, e turbine a vapore a derivazione e condensazione nel caso di potenze elettriche installate > 10 MW circa (utilizzata dai primi anni ’90)

Motori a gas con recupero calore allo scarico e dal circuito di raffreddamento: alta efficienza in assetto solo elettrico, valido per taglie unitaria < 15 – 20 MW; il livello termico del calore di recupero è in genere piuttosto basso, soprattutto dal recupero del calore dal sistema di raffreddamento

COMBUSTIBILI:COMBUSTIBILI:Gas naturaleOlio combustibile: utilizzabile esclusivamente in caldaie tradizionali, viene

normalmente sostituito con gas naturale al fine di contenere le emissioni e di evitare problemi di carattere logistico (costi di stoccaggio e di manutenzione).

Combustibili di recupero non commerciabili (gas di raffineria, gas siderurgici, residui liquidi, ecc)

Il dimensionamento del sistema 2/2

PARAMETRI PER IL DIMENSIONAMENTO:PARAMETRI PER IL DIMENSIONAMENTO:Nuova unità produttiva:

Disponibilità delle più affidabili previsioni circa le domande di picco di calore e potenza elettrica

Disponibilità di curve riportanti il profilo previsionale, su base da definire, delle domande calore ed energia elettrica

Necessità di continuità nell’alimentazione

Unità produttiva esistente: Disponibilità dei consuntivi circa le domande di picco di calore e

potenza elettrica Disponibilità di curve riportanti il profilo, su base oraria, delle

domande calore ed energia elettrica Necessità di continuità nell’alimentazione Disponibilità delle previsioni circa cambiamenti di assetti produttivi

impattanti sulla domanda calore ed energia elettrica

L’affidabilità di esercizio

L’alimentazione termica ed elettrica all’utenza deve essere assicurata per tutto il periodo di marcia dello stabilimento, al limite per 8760 h/y

Devono quindi essere previste idonee riserve per garantire la continuità del servizio durante le fermate programmate e gli eventuali disservizi della centrale di produzione

Relativamente all’energia elettrica, la riserva e il soccorso sono in genere forniti dalla rete elettrica esterna, che assicura nell’esercizio normale i servizi di rete (regolazione di frequenza, tensione, ecc)

Relativamente al calore, occorre prevedere l’installazione di idonee unità di riserva, che vanno gestite in modo da garantire una pronta erogazione del calore (generatori di vapore ausiliari in riserva calda, al limite in marcia al carico minimo, ecc)

Oneri di investimento

L’investimento specifico (€/kW) è nettamente superiore a quello di una centrale per la sola produzione di energia elettrica per i seguenti motivi:

Ridotta taglia di impianto le economie di scala non trovano applicazione

Necessità di prevedere anche gli equipaggiamenti necessari per il servizio calore

Necessità di unità di riserva per assicurare la continuità dell’erogazione del calore

Non va però dimenticato che, nel caso della costruzione di un nuovo stabilimento, esiste sempre la necessità di una “soluzione fatale” (la più economica possibile) che in genere considera l’autoproduzione del calore con acquisto di tutta l’energia elettrica dall’esterno.

I vantaggi derivanti dalla cogenerazione potrebbero, in questo caso, essere valutati a fronte del solo incremento di investimento rispetto alla “soluzione fatale”.

Check list per l’investimento (1/2) COMBUSTIBILECOMBUSTIBILE

. Pressione gas naturale

. Ubicazione punto di consegna

. Percorso gasdotto all’interno dello stabilimento

. Ubicazione eventuale stazione di compressione

. Contributo di allacciamento

CENTRALE TERMOELETTRICACENTRALE TERMOELETTRICA. Dimensione area. Caratteristiche terreno (palificazioni, fondazioni). Disponibilità servizi (aria compressa, azoto, antincendio, etc). Disponibilità acqua di raffreddamento

- torri evaporative (reintegro di circuito??)- torri a secco (circuito chiuso)- circuito aperto

. Necessità di riserva vapore

. Stoccaggi per combustibili di emergenza

. Parti a scorta specifiche

. Politiche di manutenzione

. Disponibilità di personale per l’esercizio

Check list per l’investimento (2/2)

STAZIONE ELETTRICASTAZIONE ELETTRICA• Dimensione area• Distanza dalla CTE• Sistema di collegamento alla CTE (cavi MT/AT etc)• Criteri di interconnessione alla rete esterna• Contributo di allacciamento• Esiste un elettrodotto nelle vicinanze (a quale livello di

tensione?)

PROBLEMI SPECIFICIPROBLEMI SPECIFICI• Preparazione aree (demolizioni, bonifiche, etc)• Interconnessioni con la rete calore dello stabilimento• Esiste acqua demineralizzata in quantità/qualità sufficiente? • Interventi sulla rete elettrica di stabilimento (nuove correnti di

corto circuito, etc)• Impatto ambientale (particolari regolamenti locali, rumore al

muro di cinta etc)

Oneri di esercizio

• Rapporti con la rete elettrica esterna Valorizzazione del servizio di integrazione, riserva e soccorso

(impegno di potenza, prezzo del kWh prelevato) Valorizzazione dei servizi di rete (regolazione della frequenza,

tensione, etc) Valorizzazione del kWh in eccesso rispetto ai fabbisogni e ceduto

alla rete (la cessione può essere programmata?)

• Rapporti con la rete gas naturale Definizione della tariffa tenendo in considerazione l’elevato fattore di

utilizzazione Eventuale necessità di garanzie di continuità, nel caso non sia

disponibile un combustibile di back-up

La valorizzazione del calore e dell’energia elettrica

• Il calore e l’energia elettrica vengono generate in maniera congiunta ed è molto difficile determinare la ripartizione dei costi, sia variabili che fissi, tra i due prodotti

• D’altra parte questa necessità è molto sentita: diverse politiche di valorizzazione possono generare diverse scelte di investimento, ad esempio in una centrale frigorifera l’installazione di una macchina ad assorbimento piuttosto che una macchina centrifuga

• Ad oggi sono stati adottati i più svariati criteri, in dipendenza delle più varie situazioni industriali. I criteri più comuni sono:

Entalpico, che addebita all’energia elettrica il consumo di combustibile incrementale rispetto alla “soluzione fatale”. PUO’ ESSERE UTILIZZATO NELLA VALUTAZIONE DI DIVERSE ALTERNATIVE PER UN IMPIANTO DI NUOVA COSTRUZIONE

Energetico, che sottrae dal costo variabile totale la valorizzazione del prodotto che ha un’altra possibile fonte di approvvigionamento (l’energia elettrica prelevata dalla rete esterna). PUO’ ESSERE UTILIZZATO PER LA VALUTAZIONE DI DIVERSI ASSETTI PRODUTTIVI PER IMPIANTI ESISTENTI

Quale futuro per la cogenerazione industriale

Gli ostacoli:

• Investimenti notevoli in un settore estraneo al core business dello stabilimento

• Tempi di ritorno piuttosto lunghi, spesso estranei alla normale ottica di molti mercati

• Rischi di non mantenimento nel tempo della richiesta di calore

• Aspettative, più o meno fondate, di una riduzione del prezzo di acquisto dell’energia elettrica

Possibili interventi:

• Valorizzazione dei servizi di rete e dell’energia elettrica eccedente i fabbisogni e ceduta alla rete

• Valorizzazione delle esternalità (risparmio di combustibile e conseguente minore produzione di inquinanti)