Integrazione di sistemi cogenerativi innovativi di ... I motori a combustione interna alternativi

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RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO

Integrazione di sistemi cogenerativi innovativi di piccolissima taglia nelle reti di distribuzione dellenergia elettrica, termica e frigorifera

Michele Bianchi

Pier Ruggero Spina

Report RdS/2010/220

Agenzia Nazionale per le Nuove tecnologie, lEnergia e lo Sviluppo Economico Sostenibile

INTEGRAZIONE DI SISTEMI COGENERATIVI INNOVATIVI DI PICCOLISSIMA TAGLIA NELLE

RETI DI DISTRIBUZIONE DELLENERGIA ELETTRICA, TERMICA E FRIGORIFERA

Michele Bianchi (Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari,

Aeronautiche e di Metallurgia DIEM Universit degli Studi di Bologna)

Pier Ruggero Spina (Dipartimento di Ingegneria dellUniversit degli Studi di Ferrara)

Settembre 2010

Report Ricerca di Sistema Elettrico Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico ENEA

Area: Usi finali

Tema: Elettrotecnologie innovative per i settori produttivi: applicazioni su scala reale

Responsabile Tema: Ennio Ferrero ENEA

Accordo di Programma MSE-ENEA: Tema di ricerca 5.4.3.1Elettrotecnologie innovative per i settori produttivi: applicazioni su scala reale

Integrazione di sistemi cogenerativi innovativi di piccolissima taglia nelle reti di distribuzione dellenergia elettrica, termica e frigorifera ________________________________________________________________________________________________

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SommarioLa presente relazione costituisce il rapporto dellattivit effettuata dallUniversit diBologna e dallUniversit di Ferrara, nellambito di un accordo di programma tra ilMinistero dello Sviluppo Economico e lENEA, avente come obiettivo lindividuazionedelle tecnologie di cogenerazione di piccola/piccolissima taglia per lapplicazione nelsettore civile residenziale e lo studiodella loro integrazione in sistemididistribuzionedellenergiaelettrica,termicaefrigorifera.Inunprecedentestudiopigeneraleeffettuatodagli stessi autori, erano state prese in rassegna le tecnologie per la cogenerazione inriferimentoalletagliedipotenzaelettricanominalefinoa10MVA:talisistemienergeticisonoanche indicaticomesistemidiGenerazioneDistribuita(GD)secondo ladefinizionedatadallAutoritperLEnergiaElettricaeilGas(AEEG).Inquestostudiosivuoleporrelattenzione suquelle tecnologiedi tagliapipiccola chemeglio siprestanoallimpiegocivileresidenziale.Siesaminanoquindileprestazioniottenibilidaisistemicogenerativiintale campo di impiego, valutando il risparmio di energia primaria che questi sistemiconsentono di ottenere rispetto a sistemi di climatizzazione convenzionali (utilizzo dicaldaieper laproduzionedi energia termicaper il riscaldamento edi climatizzatoriadazionamentoelettricoper il raffrescamento)edacquistodienergiaelettricadalla rete, leproblematiche di integrazione con le reti di distribuzione dellenergia ed i vincoli e lebarriereesistentiperletecnologieinnovativeproposte.

Accordo di Programma MSE-ENEA: Tema di ricerca 5.4.3.1Elettrotecnologie innovative per i settori produttivi: applicazioni su scala reale

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Indice

1. Introduzione

2. Sistemicogeneratividipiccolataglia

2.1Lesoluzionipossibili:tecnologienoteesoluzioniinnovative

2.2Letecnologiegidisponibili

2.2.1Motoriacombustioneinternaalternativi

2.2.2Microturbineagas

2.2.3MicroCicliRankine(MRC)

2.2.4MotoriStirling

2.3Confrontotraletecnologiedisponibili

2.4Letecnologienonancoradisponibili

2.4.1Microturbine a gas a ciclo di Brayton inverso (IBC Inverted BraytonCycle)

2.4.2Sistemitermofotovoltaici(TPV)

3. Problematiche di integrazione dei sistemi microcogenerativi con le reti interne didistribuzionedellenergia

3.1Problematichediconnessioneedintegrazioneconlareteelettrica

3.1.1TipologiediconnessioniallareteeschemidiretiinBT

3.1.2Interfacciamentoallaretediimpiantidimicrogenerazione

3.1.2.1Sistemirotanti

3.1.2.2Sistemistatici

3.1.2.3Funzionamentoinisoladicarico

3.1.3Protezionedelleretiattive

3.1.4Caratteristichepeculiaridialcunisistemidimicrogenerazione

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3.2Problematichediintegrazioneconlaretedidistribuzionedelcaloreedelfreddo

3.2.1.Tipologiediretididistribuzioneestimadelledispersioni

3.2.2.Retedidistribuzioneecentraledicogenerazione

3.2.3.Ottimizzazionedellaretedidistribuzione

4. Valutazionedellepotenzialitdellacogenerazionenellapplicazionecivileresidenzialenelloscenarioeuropeo

4.1Scenaritariffari

4.2Fabbisognienergeticidelleutenzecivili

4.2.1Fabbisognitermici

4.2.2Fabbisognielettrici

4.3Fattibilittecnicoeconomica

4.3.1Metodologia

4.3.2Risultati

5. Prestazionideisistemicogenerativinellapplicazionecivile residenzialenelloscenarioitaliano

5.1Configurazione del sistema cogenerativo integrato alle reti elettrica e didistribuzionedelcalorediunutenzacivile

5.2Scenariodirichiestatermicadellutenza

5.3Influenza del sistema di accumulo termico sulle ore di funzionamento delcogeneratore

5.4Prestazionidelletecnologiedicogenerazione

5.5Confronto rispetto allaproduzione separatadi elettricit edi calore:vantaggienergetico/ambientalidellacogenerazione

6. Valutazione del risparmio di energia primaria ottenuto con impianti dimicrocogenerazioneperlaclimatizzazioneinvernaledegliedifici.

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1.IntroduzioneQuesto studio intende fornire una panoramica sulle tecnologie disponibili per lacogenerazionedienergiaelettricaetermicainambitocivileresidenziale,individuandolecaratteristiche e le problematiche di soluzioni innovative. In particolare, si voglionomettere in luce le prestazioni raggiungibili da sistemi energetici cogenerativi, chesoddisfinoinparteocompletamentelerichiesteelettricheetermiche.La cogenerazione rappresenta una soluzione tecnologica alternativa allassettoconvenzionale e pi frequentemente presente nellambito civile. Infatti, la soluzioneconvenzionale pi diffusa attualmente nei contesti urbani per soddisfare i fabbisognienergeticidiutenzecivilirappresentatadallimpiegodellaconnessioneallareteelettrica,per soddisfare la richiesta di energia elettrica, e dallimpiego di caldaie centralizzate oautonome,per soddisfare la richiestadi energia termica relativa al riscaldamentodegliambientieallaproduzionediacquacaldasanitaria.Ladiffusionedelletecnologiecogenerativeinambitodomesticoresidenzialerichiedechequeste risultino effettivamente convenientidalpuntodi vista energetico, economico edambientale.Nelpresenterapportovengonoanalizzatidiversidiquestiaspetti,ancheallalucedellattualescenarionormativoediincentivazionie/oagevolazionifiscalipresenteinItalia.La convenienzaenergetica,valutabile con specifici indicatoridiprestazione codificati inItalia da appositi riferimenti normativi (tra cui la capostipite Delibera AEEG 42/02 esuccessivemodificheed inprospettiva superatadallaDirettiva2004/08/CEcon i relativirecepimentiedintegrazioni),rappresentalaprimariacondiciosinequanonperlafattibilitdellacogenerazione.Tuttavia laspetto economico, legato alle valutazioni di ritorno dellinvestimentorappresentatodalladozionediunsistemacogenerativochesisostituiscaalloscenariodiriferimentodellaconnessionealla reteelettricapicaldaiaper laproduzionedelcalore,costituisceuna seconda facciadellamedaglia, altrettanto importantedalpuntodi vistadella effettiva concreta realizzabilit. Tanto la valutazione del risparmio energeticoconseguibile quanto lanalisi delle prestazioni economiche sono fortemente influenzatedallo scenariodi riferimento, che verr specificato nelpresente rapportomedianteunaserie di parametri quantitativi (rendimenti di riferimento, tariffe dellenergia e deicombustibili,ecc).Infine laspetto della valutazione dellimpatto ambientale, non direttamente esaminatoquantitativamente in tale documento, comunque in parte connesso alla valutazioneenergeticaeallaquantificazionedelrisparmiodienergiaprimaria.

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2.SistemicogeneratividipiccolatagliaLostudiohaloscopodifornireunquadrodelleprestazioniottenibilidasistemienergeticicogenerativiingradodisoddisfarelerichiestedipotenzaelettricaetermica/frigoriferadiutenzeciviliresidenziali, chepresentano fabbisogni termiciamedio/bassa temperaturaerichiestefrigoriferetipichedelcondizionamento.Aifinidellostudiovengonopresequindiin considerazione le soluzioni tecnologiche cogenerative di picc