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Fonti rinnovabili e
cogenerazione
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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
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Introduzione
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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
UrbanoRuraleCarichi customizzati
Industria
Cogenerazione
Fonti rinnovabiliProduzione locale di energia
ICT
Bilanciamento
dei carichi
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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
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“… 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
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Teoria
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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
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ENERGIA SOLARE
100 °C
Tem
pera
ture
150 °C
Produzione di acqua calda sanitaria
Riscaldamento o preriscaldamento fluidi di
lavoro (uso industriale)
Teleriscaldamento
Solare termico
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•Tecnologia matura
•Assenza emissioni locali di CO2
•Silenziosità
•Variabilità
•Possibilità di accumulo
•Impatto ambientale variabile
ENERGIA SOLARESolare termico: caratteristiche
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Sistemi a ciclo chiuso
• Adsorbimento
• Assorbimento
Sistemi a ciclo aperto
• Sistemi DEC (Desiccant & Evaporative Cooling Systems)
ENERGIA SOLARESolar cooling
Solar energy
Solar collector
Deh
umid
ifica
tion
whe
el
Hea
t rec
over
y w
heel
Hum
idifi
erH
umid
ifier
Intake
ExhaustReturn air
Supply air
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•Tecnologia relativamente recente
•Alti costi per taglie piccole
•Assenza di emissioni locali di CO2
•Silenziosità
•Variabilità
•Possibilità di accumulo
ENERGIA SOLARESolar cooling: caratteristiche
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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 SOLAREFotovoltaico
Solar energy
Solar
cells
inverter
End users Grid
Direct current
Alternative current
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• Assenza di emissioni locali di CO2
• Silenziosità
• Distribuzione sul territorio
• Bassa efficienza
• Produzione della sola energia elettrica
• Produzione intermittente
• Impatto ambientale
• Uso del suolo (agricoltura)
Fotovoltaico: caratteristicheENERGIA SOLARE
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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 SOLARESolare a concentrazione (CSP)
Recentemente vengono utilizzati sali fusi per migliorare il ciclo termodinamico
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Fonte: ENEA Quaderno solare termico a bassa e media temperatura
Fonte: ENEA Quaderno solare termico a bassa e media temperatura
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ENERGIA SOLARE
• Assenza di emissioni locali di CO2
• 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
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• 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
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Biomass
Organic wastes
Forest
Vegetables
Technological
transformation of products- Food
- No food
Agricultural-
Animals-
Vegetables
Energetic coltivations
Aquatic Land
ENERGIA DA BIOMASSA
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[3] Fonte: Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici prof. ing. Francesco Asdrubali Energia dalle Biomasse
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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
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• 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 BIOMASSAEnergia da biomassa: caratteristiche
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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]
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• Assenza di emissioni locali di CO2
• Impatto ambientale
- inquinamento acustico
- Biodiversità
- visivo
• Produzione intermittente
ENERGIA EOLICAEnergia eolica: caratteristiche
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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)
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Alta entalpia
•Energia elettrica
•Vapore per uso industriale
Bassa-media entalpia
•balneologia and spa
•acquacoltura
•usi industriali
•essiccazione
•altri usi
ENERGIA GEOTERMICA
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Usi domestici
• Tecnologia matura• 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
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Energia geotermica: caratteristiche
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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
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• Tecnologia matura
• Assenza di emissioni locali di CO2
• Produzione programmabile
• Accumulo
• Impatto ambientale
• Danni all’ecosistema
• Produzione di sola energia elettrica
ENERGIA IDROELETTRICAIdroelettrica: caratteristiche
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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
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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
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Energia chimica
mcHi
CaloreQ
LavoroL
Lavoro utileLe
Inquinamentochimico
Inquinamentotermico
Perditemeccaniche
Caloreutile
Energia elettrica
Energia termica
CHP Vs SHP
ηmηtηc
Energia chimica
mcHi
CaloreQ
ηtηc
SH
PC
HP
Energia chimica
mcHi
CaloreQ
LavoroL
Lavoro utileLe
Inquinamentochimico
Perditemeccaniche
Energia elettrica
e termica
Caloreutile
ηmηtηc
COGENERAZIONE
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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
+ +
8063
85
148
IN
COGENERAZIONE
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OUT
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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
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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
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• 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.
COGENERAZIONECHP: caratteristiche 1/2
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• 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.
COGENERAZIONECHP: caratteristiche 2/2
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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 Introduzione - Teoria - Esercizi - Caso Studio - Conclusioni
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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
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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
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Confronto delle efficienze tra i diversi generatori
COGENERAZIONELegendaSOFC: 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
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Esercizi
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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
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Risparmio di energia primaria
Riduzione dei consumi di circa il 27%
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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
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MOTORI AD ALTA EFFICIENZA
Quale dei seguenti profili di carico è indicato per la cogenerazione?
Diagramma b
Diagramma a
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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
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Caso studio
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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.
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Capacità elettrica (totale) 1,06 MweCapacità termica (totale) 1,27 MWtTecnologia Motor engineN. di unità 1Produttore JenbacherTipo di combustibile MetanoElettricità (produzione annuale) 2,37 GWhCalore (produzione annuale) 2,57 GWhAnno di costruzione 2006Costo totale dell’investimento € 2.800.000 Finanziamento Fondi propriAiuti di Stato Certificati, riduzione tasseCollocazione Tavagnacco,Italia
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Conclusioni
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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
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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
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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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