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Gallarate, 4 Giugno 2012
Efficienza energetica nelle aziende industriali
La cogenerazione
Relatore: Ing. Carmelo Macrì
Gallarate, 4 Giugno 2012 2
La cogenerazione
Indice
1. La cogenerazione – Brevi cenni;
2. Scopo del progetto di cogenerazione;
3. Metodologia;
4. Studio per un impianto di cogenerazione;
a) Diagramma di durata;
b) Scelta della tecnologia;
c) Analisi dei rischi;
d) Modalità di finanziamento.
5. Risparmio di energia primaria e TEE (certificati bianchi);
6. Esempio di progetto e conto economico;
7. Analisi finale, costruzione, esercizio.
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La cogenerazione - Definizione
Cogenerazione e' la produzione combinata di energia elettrica e calore alle condizioni definite dall'Autorità' per
l'energia elettrica e il gas, che garantiscano un significativo risparmio di energia rispetto alle produzioni
separate (Decreto Legislativo n° 79/99 art. 2 comma 8).
Decreto Legislativo n°79/99: l’AEEG viene incaricata
di definire i criteri per il riconoscimento della
produzione combinata di energia elettrica e calore
come cogenerazione;
Delibera AEEG n°42 del 19 Marzo 2002: sono definiti
impianti di cogenerazione quelli che soddisfano due
condizioni: un risparmio energetico (IRE) del 10%
almeno e un limite termico (LT - incidenza
dell’energia termica nel totale dell’energia prodotta)
pari ad almeno il 15%.
Direttiva 2004/8/CE del Parlamento europeo: è
cogenerazione ad alto rendimento quella che
realizza un risparmio di energia primaria (PES) pari
ad almeno il 10%.
Decreto Legislativo 8 febbraio 2007, n. 20: attuazione
della Direttiva 2004/8/CE.
La cogenerazione
Normativa di riferimento
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100)
Ref Ref
11(
E
CHPE
H
CHPHPES
Formula di calcolo del PES
dove:
• CHP Hn è il rendimento termico, rapporto tra calore utile e energia del combustibile;
• CHP En è il rendimento elettrico, rapporto tra energia elettrica da cogenerazione e energia del
combustibile;
• Ref Hn è il valore di rendimento (parametro di riferimento) per la produzione separata di calore, definito
dall’allegato V ;
• Ref En è il valore di rendimento (parametro di riferimento) per la produzione separata di energia elettrica,
definito dagli allegati IV, VI e VII ;
Per parametri di riferimento si intendono i parametri utilizzati per confrontare i rendimenti della produzione
combinata di energia elettrica e calore con i rendimenti della produzione separata. I parametri di riferimento
sono, dunque, degli indici che misurano i vantaggi della cogenerazione nei confronti dei sistemi
convenzionali. Questi parametri sono definiti dalla norma e la definizione del loro valore dipende dalla
scelta del legislatore.
Mentre la delibera 42/2002 ha come parametro di riferimento la taglia dell'impianto, il Dlgs 20/2007 (così come
disposto dalla direttiva europea) ha deciso che il parametro di riferimento è rappresentato dalla Best
Avaible Technology media per combustibile.
La cogenerazione
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La cogenerazione
BENEFICI LEGISLATIVI:
1. L’esonero dall’obbligo di acquisto dei certificati verdi previsto per i produttori e gli importatori di
energia elettrica;
2. La precedenza, nell’ambito del dispacciamento, dell’energia elettrica prodotta da cogenerazione;
3. La possibilità di ottenere i titoli di efficienza energetica (certificati bianchi);
4. Le agevolazioni fiscali sull’accisa del gas metano utilizzato per la cogenerazione;
5. La possibilità di accedere al servizio di scambio sul posto dell’energia elettrica prodotta da impianti di
cogenerazione ad alto rendimento con potenza nominale fino a 200 kW;
6. La possibilità di applicare condizioni tecnico-economiche per la connessione semplificate.
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La cogenerazione
Centrale elettrica η = 40%
Caldaia η = 90%
ηelettrico = 34%
ηtermico = 50%
Potenza 34 unità
Calore 50 unità
Perdite
51 unità
Perdite
6 unità
Totale perdite: 57
Combustibile 85 unità
Combustibile 56 unità
Combustibile 100 unità
Potenza 34 unità
Calore 50 unità
Perdite
16 unità
Produzione separata
Cogenerazione
Risparmio energetico = (141-100)/141 = 29%
INPUT 141 unità
INPUT 100 unità
OUTPUT 84 unità
OUTPUT 84 unità
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La cogenerazione
2. Scopo del progetto di cogenerazione
conseguire autonomia elettrica;
migliorare la qualità del servizio energia allo stabilimento;
ridurre l’impatto ambientale;
ridurre i costi operativi di approvvigionamento energetico.
Un progetto di cogenerazione può avere una o più tra le seguenti finalità:
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La cogenerazione
2. Scopo del progetto di cogenerazione
Investimento in autoproduzione
Re
dd
itiv
ità
(IR
R, p
ay-b
ac
k)
Gruppo elettrogeno di
emergenza
Gruppo elettrogeno in
funzionamento “prime”
o “peak shaving”
Il Delta Investimento è
remunerato dai risparmi
sulla produzione di e.e. in
ore piene
Cogenerazione
dimensionata su
autonomia elettrica
Cogenerazione
dimensionata sul minimo
“base load” economico
Il Delta Investimento è
remunerato dai mancati
costi di black-out e
microinterruzioni
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La cogenerazione
Audit energetico preliminare Audit energetico approfondito
Attore Energy manager (interno o consulente esterno) Personale esperto e diretto dell’investitore.
Scopo Verificare l’efficienza dei flussi energetici attuali
e proporre / confrontare varie soluzioni
migliorative.
Include l’analisi, sulla vita dell’impianto, dei rischi
tecnici, gestionali, manutentivi, economici e
finanziari, delle soluzioni migliorative proposte.
Ambito Tutte le attività dello stabilimento
energeticamente rilevanti
Include il coinvolgimento di TUTTE le funzioni
direzionali (ammin., finanza, legale, produzione,
manutenzione, etc.)
Dati di Input Fatture e dati storici di stabilimento Include la definizione dei protocolli di misura e
verifica delle prestazioni
Output Confronto tra proposte alternative in base a
budget di investimento e pay-back semplice.
Analisi tra le proposte sulla base dell’analisi dei
rischi . Definizione di livelli di servizio
3. Approccio/Metodologia
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4.a) Valutazione dei fabbisogni energetici - Costruzione dei diagrammi di
consumo di energia elettrica e termica
1. Valutazione dei fabbisogni energetici del processo produttivo;
2. Analisi del consumo specifico di energia elettrica e termica per unità di
prodotto, e confronto con benchmark di mercato;
3. Ipotesi di sviluppo futuro del sito produttivo (i.e.: modifiche al processo
produttivo, modifiche del prodotto, trasferimento della produzione, etc.);
4. Definizione dell’anno tipo (l’anno tipo si intende definito indicando
volumi di produzione per ogni tipo di prodotto, turni lavorativi, carichi
energetici per settimana tipica).
La cogenerazione
4. Studio per un impianto di cogenerazione
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La cogenerazione
4. Studio per un impianto di cogenerazione
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1 606 1.211 1.816 2.421 3.026 3.631 4.236 4.841 5.446 6.051 6.656 7.261 7.866 8.471
3 turni 2 turni 1 turno
Diagramma di durata del consumo di energia
4.a) Valutazione dei fabbisogni energetici - Costruzione dei diagrammi di
consumo di energia elettrica e termica
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4.b) Scelta della tecnologia
La cogenerazione
I profili orari di assorbimento (elettrico e termico) consentono di trovare la soluzione
impiantistica che li soddisfa minimizzando i costi (di esercizio e di investimento).
Da definire:
a) la taglia dell’impianto (dimensionata sul profilo elettrico o termico);
b) il numero delle macchine da installare;
c) la scelta tra turbogas, ciclo combinato o motore;
d) il dimensionamento energetico o economico.
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Tecnologia vs Taglia impianto
Applicable Size Range, kWe
Strong Market Position
Market Position
Emerging Position
Gas Turbines
Gas Engines
Micro Turbines
100.000 10.000 1.000 100 10
La cogenerazione
4.b) Scelta della tecnologia
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La cogenerazione
Tipologie di impianti
1. Cogenerazione con motori a combustione interna
Motore endotermico
Motori a ciclo otto
Motori a ciclo Diesel
Combustibile
Gas, biogas
Gasolio, biodiesel, olio
vegetale
Generatore elettrico
Trasformazione energia
meccanica in elettrica
Scambiatore di calore
Sistema di recupero del
calore utilizzato
successivamente come
acqua calda e/o come
vapore.
Recupero del calore
dall’olio e dai fumi.
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La cogenerazione
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La cogenerazione
Tipologie di impianti
2. Cogenerazione con turbine a gas
Turbina a gas Combustibile Generatore elettrico
Trasformazione energia
meccanica in elettrica
Scambiatore di calore
Sistema di recupero del
calore dai fumi esausti
prima di scaricarli
nell’atmosfera (400-500
°C).
Gas naturale (metano),
biogas
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La cogenerazione
Tipologie di impianti
3. Cogenerazione con turbine a vapore
Turbina a vapore Combustibile
Gas, biogas,
biocombustibili,
biomasse, ecc..
Generatore elettrico
Trasformazione energia
meccanica in elettrica
Generatore di vapore
Caldaia esterna
Turbine a
contropressione
Turbine a
condensazione con
spillamento
Recupero termico
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Classificazione dei rischi del mercato energetico
Probabilità occorrenza
Imp
att
o e
co
no
mic
o
La cogenerazione
4.c) Analisi dei rischi
Rischio
finanziario
Rischio
autorizzativo
Tempi di
realizzazione
investimento
Rischio mercato
del cliente
Rischio
operativo
Volatilità dei
prezzi delle
materie prime
Rischio
tecnologico
Evoluzione
regole del
mercato
Evoluzione del
mercato
Volatilità dei
prezzi delle
materie prime
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Nella definizione dell’investimento, l’impresa dovrà valutare e quantificare i seguenti
aspetti:
1. Rischio tecnologico
(scelta della tecnologia e delle dimensioni
dell’impianto)
2. Rischio operativo
(necessità di nuovo personale; guasti,
disponibilità, affidabilità, manutenzioni)
3. Rischio autorizzativo
(emissioni in atmosfera; rumore; Snam, Enel,
GRTN, ASL, Ispesl, UTF, etc.)
La cogenerazione
4.d) Analisi dei rischi
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5. Rischio finanziario
legato all’investimento; limitazione della capacità di
indebitamento
6. Tempi di realizzazione dell’investimento
ed in genere, tutti i rischi e gli oneri tipici di un investimento in un’attività
non core business……
4. Rischio mercato dell’energia
(evoluzione delle regole del mercato elettrico, volatilità
dei prezzi delle materie prime, Titoli di Efficienza
Energetica, normativa sulla cogenerazione, etc.)
La cogenerazione
4.d) Analisi dei rischi
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Alcuni esempi……
Evoluzione del mercato: • evoluzione dello spread tra costo del kWh elettrico e del m3 di gas naturale;
• evoluzione delle tariffe di trasporto del gas naturale e dell’energia elettrica;
• evoluzione della normativa fiscale sulla cogenerazione.
Rischio tecnologico: • scelta non corretta della tecnologia, o della taglia dell’impianto
Rischio operativo: • manutenzione non appropriata (fornitori non qualificati?);
• frequenti fermate per guasti;
• problemi al riavviamento dell’impianto.
Regole del Mercato: • chi è disposto oggi a scommettere sul valore dei TEE?
Tempi di realizzazione: • di norma difficilmente controllabili
… altro?
La cogenerazione
4.d) Analisi dei rischi
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Un progetto di cogenerazione può essere:
• Interamente autofinanziato
• Finanziato ricorrendo al debito
• Finanziato tramite operazioni di Project Finance
• Finanziato tramite una ESCO (TPF, Third Part Financing)
• Leasing Operativo
…l’energy manager di norma si sente poco coinvolto nella modalità di
reperimento dei fondi …
La cogenerazione
4.d) Modalità di finanziamento
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La cogenerazione
5. Risparmio di energia primaria e TEE
CERTIFICATI BIANCHI DEFINIZIONE
I certificati bianchi, o più propriamente Titoli di Efficienza Energetica (TEE), sono titoli che certificano i risparmi energetici
conseguiti da vari soggetti attraverso la realizzazione di specifici interventi (es: efficientamento energetico) e che valgono il
riconoscimento di un contributo economico.
I certificati bianchi riguardano tre tipi di interventi:
risparmio di energia elettrica;
risparmio di gas naturale;
risparmio di altri combustibili.
STORIA
Istituiti in Italia con i DD.MM. 20 luglio 2004 elettricità e gas, ed entrati in vigore nel gennaio 2005, i certificati bianchi
consistono in titoli acquistabili e successivamente rivendibili il cui valore è stato originariamente fissato a 100 €/tep, valore
soggetto a variazioni stabilite anche in funzione dell'andamento del mercato.
IMPOSTAZIONE
La soglia minima per il conseguimento del certificato bianco varia in funzione della tipologia di progetto sottoscritto e in ogni
caso non inferiore a 20 tep annui. Per la maggior parte degli interventi il periodo di concessione è di 5 anni, mentre per gli
interventi di isolamento termico degli edifici, di architettura bioclimatica e altri interventi similari il periodo di concessione è di 8
anni.
OBBLIGO da parte dei GRANDI DISTRIBUTORI di effettuare interventi di risparmio energetico;
DIRITTO degli OPERATORI che attuano tali interventi di ricevere dal GME i CERTIFICATI;
NEGOZIABILITA’ dei CERTIFICATI BIANCHI secondo formule regolate;
CONTROLLO TECNICO del sistema da parte dell’AEEG e il controllo del mercato da parte del GME.
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Fattori di conversione delle energie:
1 GWh MT = 230 tep
1 GWh BT = 250 tep
1 Gm3 gas nat = 820 tep
1 t Fuel Oil = 0,980 tep
1 t Diesel Oil = 1,080 tep
Il risparmio di 1 tep equivale ad una riduzione delle emissioni di
CO2 pari a circa 3 t di CO2.
La cogenerazione
5. Risparmio di energia primaria e TEE
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Un esempio:
Stabilimento senza cogenerazione, con i seguenti prelievi di energie:
Energia elettrica: 35 GWh/a [4.500 kW x 7.800 ore/a]
Gas Naturale: 10,2 Mm3/a [vapore 10 bar g]
Consumo energia primaria: 16.660 tep/a
Installazione di un gruppo di cogenerazione da 3.800 kWe lordi.
I prelievi delle energie diventano:
Energia elettrica: 8 GWh/a
Gas Naturale: 16 Mm3/a
Consumo energia primaria: 14.960 tep/a
Risparmio annuale di energia primaria: 1.700 tep/a
La cogenerazione
5. Risparmio di energia primaria e TEE
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Fotografia energetica (istantanea, anno 2011)
Prelievi energia elettrica: 25 GWh/a
ca. 8000 ore/a piatto
Prelievi gas naturale: 9 Mm3/a
utilizzo gas naturale: 80% vapore saturo 10 bar g
(caldaie olio diatermico)
20% forni
Reintegro acqua alimento: 4 m3/h (15 ÷ 20 °C)
Produzione di freddo: 2 unità da 750.000 frig/h (7°C)
carico medio: 65% inverno
85% estate
La cogenerazione
Un esempio di progetto e conto economico
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Previsioni di sviluppo dello Stabilimento:
Tipo di prodotto: maturo
Perennità del sito: confermata nel medio
termine (fino a 5 anni)
Aumento della produzione: non previsto
Riduzione dei consumi specifici: possibili
(a seguito di ristrutturazione dei processi)
Obiettivi del Cliente per il servizio energia:
• Riduzione del costo, a parità di livello di servizio;
• Eventuali progetti di risparmio energetico.
La cogenerazione
Un esempio di progetto e conto economico
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La proposta di efficienza energetica:
Cogenerazione con produzione di:
2.000 kWe
800 kWt ad alta temperatura (1.200 kg/h di vapore)
1.300 kWt a bassa temperatura (acqua calda 90 – 70°C)
Combustibile:
523 m3/h gas naturale
Rendimenti teorici:
elettrico: 39,8%
cogenerativo: 81,7%
La cogenerazione
Un esempio di progetto e conto economico
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Purtroppo però lo stabilimento non riesce ad assorbire 54 m3/h di acqua
calda, ma al massimo 15 m3/3 per preriscaldo acqua alimento
Assorbitore che utilizza acqua calda a bassa temperatura per dare acqua
fredda a 7°C.
Capacità assorbitore: 700 kWf
Potenza termica assorbita: 1.050 kWt (vincoli precisi sui livelli termici)
Potenza termica residua acqua calda: 250 kWt
La cogenerazione
6. Un esempio di progetto e conto economico
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La cogenerazione
6. Un esempio di progetto e conto economico
Investimento: 1.500 k€
Valore della produzione:
en. elettrica 15 GWh/a 1.125.000 €/a
en. termica 7,8 GWh/a 180.000 €/a
en. frigo 3,5 GWh/a 105.000 €/a
1.410.000 €/a
Costi della produzione:
gas naturale 3,9 Mm3/a 740.000 €/a
accise 6.000
Manutenzione ordin. 200.000
Manutenz. Straord. 15.000
Olio 25.000
Conduzione 8.000
994.000 €/a
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Margine di contribuzione ai costi fissi: 416.000 €/a
Overheads 30.000 €/a
Margine operativo lordo: 386.000 €/a
Pay-back semplice: 3,9 anni
Il ruolo dell’energy manager non è esaurito!
• l’investimento è stato valutato con accuratezza? (definizione della taglia e della
tecnologia, offerte di fornitori, stime per b.o.p., strumentazione, modifiche agli impianti esistenti, ingegneria, autorizzazioni, etc.)
• sono stati valutati correttamente i rischi industriali (“what if…”)?
• quale è il riferimento delle energie?
• l’azionista vorrà investire nel progetto? Ci sono altre forme di
finanziamento?
La cogenerazione
6. Un esempio di progetto e conto economico
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La cogenerazione
Analisi finale dei rischi e ruolo dell’EM
a) verificare che l’investimento sia stato valutato con accuratezza (definizione della taglia e della
tecnologia, offerte di fornitori, strumentazione prevista, modifiche agli impianti esistenti, ingegneria,
autorizzazioni, etc.);
b) controllare che siano stati valutati correttamente i rischi industriali;
c) fissare il riferimento delle energie;
d) verificare che la Direzione voglia investire nel progetto o fare ricorso ad altre forme di finanziamento.
Costruzione
a) Nomina di un capo commesse (responsabile della realizzazione di tutto il progetto)
Esercizio
a) verifica della rispondenza alle attese (utilizzo dell’energia elettrica e calore);
b) analisi consuntiva dei problemi ambientali (rumore ed emissioni);
c) analisi e soluzione delle anomalie;
d) registrazione delle anomalie.