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UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 1 Dipartimento di Energetica S.Stecco Risparmio Energetico ed Energie rinnovabili: Geotermia, Solare termodinamico.

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1 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 1 Dipartimento di Energetica S.Stecco Risparmio Energetico ed Energie rinnovabili: Geotermia, Solare termodinamico e microeolico Giampaolo Manfrida

2 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 2 Dipartimento di Energetica S.Stecco Conversione : 1 TEP = 42 GJ = kWh Italia: storia recente dei consumi.....

3 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 3 Dipartimento di Energetica S.Stecco

4 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 4 Dipartimento di Energetica S.Stecco Spingere le rinnovabili verso la produzione di calore: una necessità! Quasi il 50% dellenergia primaria è consumata per produrre calore. Anche il condizionamento sta assumendo un ruolo sempre più importante nei consumi elettrici Proposta UE: incrementare dal 10 al 25% la quota di rinnovabili per riscaldamento e raffreddamento EFFICIENZA ENERGETICA ED ENERGIE RINNOVABILI: aspetti di natura tecnica

5 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 5 Dipartimento di Energetica S.Stecco

6 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 6 Dipartimento di Energetica S.Stecco Non Elettrici (Riscaldamento, trasporti,..)

7 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 7 Dipartimento di Energetica S.Stecco Lenergia elettrica rappresenta solo una frazione del consumo totale di energia (attorno al 20% a livello mondiale)

8 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 8 Dipartimento di Energetica S.Stecco I provvedimenti della UE in materia di razionalizzazione dellutilizzo delle fonti energetiche: il 20 – 20 – 20 Efficienza energetica:risparmio di energia primaria del 20% Fonti rinnovabili:20% di energie rinnovabili Emissioni CO 2 :riduzione del 20% Obiettivi al 2020: Interventi di risparmio energetico

9 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 9 Dipartimento di Energetica S.Stecco Il 20 – 20 – 20 per lItalia: cosa significa? Consumi totali di energia primaria = 145 MTEP È il 57% dellenergia elettrica totale immessa in rete! Così suddivisi per settore (al 2005): Trasporti ~ 30% Industria~ 28% Residenziale ~ 21% Terziario~ 11% Altri ~ 10% Risparmiarne il 20% equivale a ~ 30 MTEP Suddivisione per fonte (~ 198 MTEP lordi) : Petrolio ~ 43% Gas ~ 36% Carbone~ 9% Elettricità primaria ~ 6% Altri ~ 6%

10 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 10 Dipartimento di Energetica S.Stecco Valutazione dei possibili risparmi conseguibili con ridotti oneri addizionali alle imprese Individuazione dei settori più interessanti per dimensione e risparmi Evidenziare le tecnologie disponibili sulla base di accurate analisi costi/benefici Indirizzare le istituzioni verso una politica per lefficienza energetica di medio - lungo termine Definire azioni di comunicazione e informazione Il settore industriale: la Task Force Efficienza Energetica di Confindustria

11 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 11 Dipartimento di Energetica S.Stecco Analisi per settore: approfondimento delle tecnologie rilevanti Per ciascuna tecnologia: periodo iniziale considerato al 2005 e prevedibile andamento del mercato al 2016 Elaborazione ed individuazione di scenari di possibili risparmi in funzione di diverse politiche di incentivazione ed analisi costi/benefici Il lavoro della Task Force (in collaborazione con ENEA e CESI)

12 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 12 Dipartimento di Energetica S.Stecco Ripartizione settoriale dei Consumi di energia elettrica in Italia (2005) Settore industriale: ha assorbito il 49% del consumo nazionale di energia elettrica (circa GWh) Circa l80% dei quali è assorbito da motori elettrici (rapporto CESI) Ripartizione generale dei totali consumi elettrici (per tutti i settori): –Motori ~ 45-50% –lluminazione ~ 14-17% –Elettrodomestici~ 12-15% –Stand by, carica batterie, etc. > 4%!

13 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 13 Dipartimento di Energetica S.Stecco Motori elettrici Interventi relativi a: - industria e costruttori di macchinari e prodotti i cui componenti includono motori elettrici Interventi previsti: –Installazione di motori efficienti di potenza 1 90 kW (motori in classe eff 1) –Installazione di inverter su motori a regime variabile Risparmi conseguibili 9,7 18 TWh Incidenza su consumo primario: 18% 7% 13% dei consumi primari dei motori elettrici al 2005

14 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 14 Dipartimento di Energetica S.Stecco Fino al 31 dicembre 2010 Detrazione dallimposta lorda del 20% della spesa per lacquisto di motore ad alto rendimento o di un inverter (acquisto e linstallazione sul territorio nazionale) Incentivi: Finanziaria 2008 per motori e inverters Dal 1º gennaio 2010 È vietata la commercializzazione di motori elettrici appartenenti alla classe 3 anche allinterno di apparati

15 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 15 Dipartimento di Energetica S.Stecco Settore civile: Riscaldamento/raffrescamento e acqua calda sanitaria Incidenza sui consumi complessivi del settore civile = 60% Possibili vantaggi derivanti dallintegrazione tra le varie tecnologie Diversi interventi possono essere combinati: –Coibentazione e interventi edili (serramenti più efficienti) –Tecnologie per riscaldamento e acqua calda sanitaria (caldaie ad alta efficienza, pannelli solari termici ecc) –Tecnologie per raffrescamento Risparmi conseguibili: 5,6 8 Mtep Incidenza su consumo primario generale: 22% 15% 20% dei consumi per riscaldamento/raffrescamento del 2005

16 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 16 Dipartimento di Energetica S.Stecco Fino al 31 dicembre 2010 Prorogate le detrazioni fiscali del 55% per la riqualificazione energetica degli edifici Entro il 31 dicembre 2009 La detrazione del 55% si applica anche alle spese per la sostituzione intera o parziale di impianti di climatizzazione invernale non a condensazione, sostenute Le modalità per il riconoscimento dei benefici stabilite con un decreto del Ministro Economia e Finanze Incentivi: Finanziaria 2008 per la riqualificazione energetica degli edifici

17 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 17 Dipartimento di Energetica S.Stecco Una fonte fondamentale: il risparmio e la certificazione energetica Esempio: appartamento di 100 m 2 con superficie finestrata del 20%, piano singolo, su garage/cantina al 25%, situato in zona centrale nel comune di Pistoia

18 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 18 Dipartimento di Energetica S.Stecco La classe energetica delledificio e i possibili miglioramenti

19 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 19 Dipartimento di Energetica S.Stecco ILLUMINAZIONE Sono considerati gli impieghi per illuminazione sia civile che industriale Tecnologie efficienti: –Lampade efficienti (da incandescenza a CFL) –Sistemi di alimentazione efficienti –Sistemi di regolazione del flusso luminoso –ICT e sistemi di controllo Risparmi conseguibili 12,5 17 TWh Incidenza su consumo primario: 6% 25% 35% dei consumi per illuminazione del 2005

20 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 20 Dipartimento di Energetica S.Stecco Altri usi elettrici e termici nel settore civile incidenza su consumo primario: 8% Elettrodomestici, sistemi ITC, sistemi per la refrigerazione e la ristorazione (cottura) Tecnologie efficienti: –Frigoriferi e congelatori efficienti (classe A++) –Lavabiancheria e lavastoviglie in classe A superiore –Riduzione dei consumi di stand-by (nuove famiglie di prodotti) Risparmi conseguibili negli impieghi elettrici 7,5 22 TWh 9% 25% dei consumi di settore del 2005

21 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 21 Dipartimento di Energetica S.Stecco Settore civile, Casi specifici: Uffici Indagine ENEA in varie zone climatiche Edifici per ufficio in zona climatica D m3/anno di gas per m2

22 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 22 Dipartimento di Energetica S.Stecco Edifici per ufficio in zona climatica D Consumi elettrici annui per m2 …. Per zona climatica: … e per addetto:

23 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 23 Dipartimento di Energetica S.Stecco Consumi elettrici negli uffici

24 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 24 Dipartimento di Energetica S.Stecco Risparmio energetico per diversi tipi di intervento (edificio uso Ufficio – Riscaldamento)

25 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 25 Dipartimento di Energetica S.Stecco Risparmio energetico per diversi tipi di intervento (edificio uso Ufficio – Raffrescamento)

26 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 26 Dipartimento di Energetica S.Stecco Settore civile, Casi specifici: Scuole - Indagine ENEA Un edificio è tanto più efficiente quanto più è compatto. In altre parole quanto più è piccolo il rapporto S/V (minore superficie disperdente rispetto al volume che racchiude). Solamente il 4% degli edifici scolastici analizzati presenta un rapporto di forma S/V minore di 0,3 (Figura 127), questo significa che mediamente gli edifici hanno una grande superficie disperdente. A differenza di edifici passivi residenziali, quelli scolastici dovrebbero essere riscaldati a regime intermittente (riduzione del riscaldamento nelle ore senza lezione). Il regime intermittente porta ad una temperatura interna media inferiore a quella di progetto e, con labbassamento della temperatura, si ridurrebbero anche le perdite di calore.

27 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 27 Dipartimento di Energetica S.Stecco

28 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 28 Dipartimento di Energetica S.Stecco

29 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 29 Dipartimento di Energetica S.Stecco Applicazione di fonti rinnovabili al settore abitativo (ENEA, 2010) Sistemi di microcogenerazione distribuita

30 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 30 Dipartimento di Energetica S.Stecco Consumi energetici per settore industriale (2008; ENEA)

31 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 31 Dipartimento di Energetica S.Stecco Consumi elettricità nel settore industriale (2008; ENEA) Uno studio realizzato da Confindustria2 quantifica i possibili risparmi energetici conseguibili con motori al alta efficienza in abbinamento ad inverter. La sostituzione forzata di motori a seguito della normativa cogente potrebbe produrre risparmi energetici fino 5,9 TWh/anno al 2020, corrispondenti a ca 750 M di risparmio economico per gli utenti finali. Linverterizzazione di tutto il potenziale porterebbe ad un risparmio del 35% nel settore ventilazione e pompaggio, del 15% nel settore dei compressori e del 15% per le altre applicazioni. ENEA valuta che potrebbero essere introdotti ca /anno di motori ad alta efficienza di potenza compresa nellintervallo 5-90 kW, con un risparmio di ca 1,37 TWh/anno ed un risparmio economico per gli utenti finali di ca 178 M1, con un tempo di ritorno inferiore a tre anni. Il risparmio potenziale proveniente dagli inverter è ancora maggiore, pari a circa 3,5 TWh/anno, corrispondenti ad un risparmio per gli utenti di ca 450 M.

32 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 32 Dipartimento di Energetica S.Stecco

33 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 33 Dipartimento di Energetica S.Stecco

34 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 34 Dipartimento di Energetica S.Stecco Usi termici in industria e agricoltura Sono presenti principalmente nelle industrie di processo (agroalimentare, tessile, cartiere, ecc.) Tecnologie efficienti: –Impianti di cogenerazione ad alta efficienza di grossa, media e piccola taglia –Interventi di miglioramento dellefficienza dei processi industriali, anche mediante nuovi sistemi di automazione Risparmi conseguibili 0,8 4 Mtep Incidenza sul consumo primario: 18% 2,5% 12,5% dei consumi del 2005

35 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 35 Dipartimento di Energetica S.Stecco

36 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 36 Dipartimento di Energetica S.Stecco Quante sono le installazioni solari termiche in Europa? Crescita del Mercato solare termico nella EU 25 Italia: abbondantemente indietro rispetto a paesi con molta meno insolazione Capacità installata di solare termico ogni 1000 abitanti (in kW e m 2 ) al 2005 Distribuzione del Mercato solare termico nella EU 25 al 2005

37 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 37 Dipartimento di Energetica S.Stecco EFFICIENZA ENERGETICA ED ENERGIE RINNOVABILI: aspetti di natura tecnica Il solare termico nei processi industriali 37 Per un fruttuoso utilizzo della fonte solare in ambito industriale Temperatura < 250 °C Richiesta di energia termica continua e costante Esclusi processi fortemente stagionali (4 – 6 mesi di inattività) Classificazione processi industriali in base profilo della domanda di calore: Domanda continua (24 ore/giorno per 7/7 giorni) essiccamento del malto (aria calda a 60 °C), essiccamento nelle cartiere (vapore a 135 °C); Domanda per riscaldamento dei fluidi contenuti in vasche, necessario per: - Mantenere costante la temperatura durante lo svolgimento di un processo; - Preriscaldare allavvio di un processo il liquido contenuto nelle vasche; - Riscaldamento del fluido dopo la sua sostituzione. processi di tintura e candeggio (industria tessile), lavaggio di bottiglie (settore bevande); Preparazione di acqua calda per diversi usi

38 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 38 Dipartimento di Energetica S.Stecco Laccoppiamento tra il solare termico e i processi industriali Modalità dintegrazione della fonte solare Strettamente dipendente dalle peculiarità del processo industriale in esame. Può variare moltissimo anche nellambito della stessa famiglia produttiva (per dimensioni, macchinari disponibili, grado di automazione, sistema termico preesistente, ecc.) Limpianto solare può essere accoppiato: direttamente al processo specifico; può aiutare il sistema centrale di produzione di calore, preriscaldando lacqua in ingresso ad una caldaia a vapore o generando direttamente vapore (questa ultima è circostanza è molto rara) Scelta tipologia collettori: dipende principalmente dalla temperatura alla quale è richiesto il calore. Opzioni possibili: Collettori piani vetrati selettivi (fino a 70÷80°C); Collettori speciali ad elevata efficienza (fino a circa 150 °C); Collettori parabolici lineari (PTC, fino a 400 °C)

39 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 39 Dipartimento di Energetica S.Stecco 39 Criteri di valutazione della fattibilità di sistemi solari per processi industriali. Temperatura di lavoro Condizioni climatiche Continuità della domanda Taglia del sistema Energia da fonte solare Frazione solare Disponibilità di tetti o terreni Caratteristiche statiche tetti Recupero del calore di scarto

40 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 40 Dipartimento di Energetica S.Stecco 40 Censimento degli impianti solari esistenti Distribuzione per tipologia di collettori Piani Sotto vuoto A concentrazione Parabolici Altri Distribuzione per calore di processo e potenza installata Distribuzione per temperatura di esercizio La maggior parte dei sistemi: per temperature < 50 °C taglia intorno a 100 kW per temperature > 150 ºC soltanto impianti di grandi dimensioni (> 100 – 200 kW)

41 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 41 Dipartimento di Energetica S.Stecco Il potenziale di applicazione del solare termico per processi industriali in italia Energia destinata alla produzione di calore a bassa e media temperatura consumata dallindustria: 1/3 della domanda totale di energia termica industriale. Settori potenzialmente compatibili con lutilizzo di energia solare: agro-alimentare, tessile e chimico Bolletta energetica a loro imputabile: 92 TWh

42 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 42 Dipartimento di Energetica S.Stecco Distribuzione della superficie solarizzabile Potenziale applicazioni industriali italiane: a bassa T in copertura: m 2 ; a bassa T in facciata: m 2 ; a media T in copertura: m 2 ; a media T in facciata: m 2 Totale = 25.6 Milioni di m 2 18,5 GW termici energia prodotta in un anno = 15,6 TWh Contributo medio in facciata = 10%

43 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 43 Dipartimento di Energetica S.Stecco 43 Superficie solarizzabile e contributo energetico degli impianti solari nello scenario di medio periodo Nel breve – medio periodo (2020) realisticamente (potenziale effettivo): settori con processi termici a media temperatura 40% della superficie disponibile in copertura 20% di quella in facciata Lenergia globale producibile annualmente = 8,8 TWh potenza installata = 10 GW

44 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 44 Dipartimento di Energetica S.Stecco Studio su Distretto tessile (Macrolotto 1 Prato; 2010)

45 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 45 Dipartimento di Energetica S.Stecco Studio su Distretto tessile (Macrolotto 1 Prato; 2010)

46 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 46 Dipartimento di Energetica S.Stecco Per un sistema solare termico di uso domestico 6 m 2 di collettori vetrati Domanda di 300 l/giorno di acqua calda a 60ºC e 300 l di stoccaggio La frazione solare è: 21% in Tromsø, Norway (70ºN) 40% in Yellowknife, Canada (62ºN) 32% in Warsaw, Poland (52ºN) 51% in Harbin, China (46ºN) 67% in Sacramento, USA (39ºN) 39% in Tokyo, Japan (36ºN) 78% in Marrakech, Morocco (32ºN) 75% in Beer-Sheva, Israel (31ºN) 81% in Matam, Senegal (16ºN) 59% in Puerto Limón, Costa Rica (10ºN) 59% in Jakarta, Indonesia (6ºS) 86% in Huancayo, Peru (12ºS) 69% in Harare, Zimbabwe (18ºS) 65% in Sydney, Australia (34ºS) 39% in Punta Arenas, Chile (53ºS) Alcuni esempi di potenzialità di risparmio domestico con integrazione solare termico EFFICIENZA ENERGETICA ED ENERGIE RINNOVABILI: aspetti di natura tecnica

47 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 47 Dipartimento di Energetica S.Stecco Energia Elettrica

48 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 48 Dipartimento di Energetica S.Stecco

49 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 49 Dipartimento di Energetica S.Stecco Bilancio Energia Elettrica Italia, GWh, di cui 40000GWh importati Prevalenza negli usi di Industria/Terziario Usi domestici in crescita Bilancio Energia Elettrica da Rinnovabili Italia, GWh Idroelettrico 6000 GWh Eolico 6800 GWh Geotermia 200 GWh Solare 4500 GWh biomasse 1500 GWh da rifiuti

50 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 50 Dipartimento di Energetica S.Stecco

51 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 51 Dipartimento di Energetica S.Stecco Energie Rinnovabili: Il problema della natura diffusa e della non stazionarietà della risorsa 7,214,428,843,2km/h 24812m/s 9, Potenza vento per m^2 rotore Solare: Irraggiamento su superficie orizzontale: max 800 W/m^2 Eolico: Energia specifica bassa nella maggior parte dei casi in Italia Moto Ondoso: Energia specifica media molto bassa nel Mediterraneo (onde 1 m = 613 J/m^2) Conseguenza: per raccogliere potenze interessanti (20 kWe – 20 MWe) occorre pensare ad impianti di grande estensione. Gli impianti grandi hanno notevole inerzia e non sono capaci di seguire e convertire le variabili non stazionarie nel tempo.

52 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 52 Dipartimento di Energetica S.Stecco Ore/anno di produzione equivalente per tipologia 2009MWGWhOre/anno Geotermia Termo Idro Biomasse Eolico Solare E data dalla divisione Energia prodotta/Potenza installata Dati presentati 2009 La resa di 1 MWe Geotermico in termini di energia prodotta per anno è almeno 7 volte quella di 1 MWe eolico; ed oltre 12 volte quella di 1 MWe fotovoltaico! Alcune rinnovabili sono molto penalizzate dalla natura aleatoria della fonte (vento, moto ondoso, sole) La soluzione di inserire negli impianti dispositivi di accumulo è complicata e comunque porta limpianto ad operare fuori regime (peggiora il rendimento) Occorre tenere presente il costo del MWe (di picco) installato

53 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 53 Dipartimento di Energetica S.Stecco La cogenerazione di energia elettrica e calore è considerata come una delle forme più efficaci di risparmio energetico Gran parte dell'energia termica viene utilizzata a temperature relativamente basse, utilizzando processi di combustione Le temperature di combustione variano da oltre 2000°C (combustione adiabatica di miscele stechiomeriche), fino a 600 ÷ 700 °C (con opportuni accorgimenti), valori comunque assai superiori a quelli di utilizzo dellenergia termica (100 ÷ 300 °C) La cogenerazione implica il recupero di calore allo scarico di un impianto destinato alla produzione di energia elettrica (per effettuarlo può essere tollerabile una diminuzione del lavoro specifico) I vantaggi della cogenerazione implicano costi aggiuntivi, in gran parte legati alla necessità di sistemi per il trasferimento del calore (scambiatori), caratterizzati da ampie superfici di scambio termico. Lincremento delle superfici di scambio è necessario per ridurre il salto di temperatura che si utilizza per il trasferimento del calore Anche i costi di gestione e manutenzione sono maggiori rispetto al caso di impianti convenzionali. Cogenerazione

54 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 54 Dipartimento di Energetica S.Stecco Le caratteristiche dei diversi motori primi consentono di coprire una vasta gamma di applicazioni cogenerative al variare di carico elettrico e termico (condizioni di progetto). I diversi motori primi non sono equivalenti! Campi di impiego -1

55 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 55 Dipartimento di Energetica S.Stecco Campi di impiego -2 La scelta dellimpianto dipende anche dalla temperatura alla quale è richiesto il calore; questa influisce sulle prestazioni dellimpianto

56 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 56 Dipartimento di Energetica S.Stecco Campi di impiego -3 Le prestazioni degli impianti ed il loro costo relativo dipendono dalla potenza

57 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 57 Dipartimento di Energetica S.Stecco Parametri di prestazione - 1 Rendimento Elettrico Valuta solo le prestazioni dellimpianto per la produzione di energia elettrica Rendimento totale ( o di primo principio) Il calore e la potenza meccanica sono equiparati Si analizza limpianto secondo il primo principio della termodinamica Tale rendimento è direttamente proporzionale al rendimento elettrico Indice Elettrico Indica il rapporto fra energia elettrica e calore utilizzato

58 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 58 Dipartimento di Energetica S.Stecco Parametri di prestazione – 2 - Indice di Risparmio Energetico Quantifica il risparmio di energia dellimpianto cogenerativo rispetto al caso in cui la produzione di energia elettrica sia fatta dal sistema nazionale ( El_grid 0,4) e il calore prodotto da un generatore di calore convenzionale ( GC ; il valore dipende dalla taglia e dal tipo di combustibile; è compreso tra 0,8 e 0,93). Da sito GSE. NPGGS Il numeratore evidenzia lenergia termica (o il consumo di energia primaria) in ingresso allimpianto cogenerativo (Q 1N_COG = m c HCI = W El / El ) Il denominatore evidenzia il calore usato dal sistema di produzione di energia elettrica nazionale e dalla caldaia separata

59 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 59 Dipartimento di Energetica S.Stecco Cogenerazione con MCI MCI turbocompresso Il recupero di calore dai MCI è possibile: - dallacqua di raffreddamento - dai gas di scarico - dallolio lubrificante - dallinterrefrigerazione del compressore per motori sovralimentati -dal raffreddamento dellalternatore Complessivamente il calore è reso disponibile a temperature relativamente basse (80-200°C) I MCI non sono adatti per produzione di vapore di processo (portate basse, solo x grandi unità). I valori di Indice Elettrico sono elevati (0,7 – 1,5) I costi di manutenzione sono elevati.

60 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 60 Dipartimento di Energetica S.Stecco Turbina a vapore a contropressione a condensatore caldo Impianti a vapore a contropressione Cogenerazione con impianti a vapore - 1 Sono impianti semplici, proponibili su taglie 1 MWe – 10 Mwe I valori di Indice Elettrico sono molto bassi (0,1 – 0,2) Limpianto è rigido per la regolazione: il carico termico dellutenza comanda rispetto alla produzione di energia elettrica Limpianto è molto adatto per cogenerazione industriale in settori ad alto consumo di calore (produzione carta, tessile,....) I costi di manutenzione sono molto limitati. Sostanzialmente é un normale impianto a vapore, nel quale il condensatore opera in condizioni pressurizzate e calde, in base alla specifica richiesta dellutenza termica Esercizio TV_contr_prog.ees (Limite) Esercizio TV_contr_prog_r.ees (Reale) Esercizio TV_contrPT.ees (Progetto) Esercizio TvcontrQU.ees (Esercizio reale)

61 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 61 Dipartimento di Energetica S.Stecco Impianti a vapore a spillamento Turbina a vapore a condensazione con spillamento Rispetto agli IV a contropressione, sono impianti molto flessibili per la regolazione indipendente di carico elettrico e termico La flessibilità comporta costi di impianto ed alla fine – su base annuale – lIRE risulta alto solo se limpianto ha operato in modalità prossima allIV a contropressione Sono impianti proponibili su taglie 4 MWe – 20 MWe (sono comunque soluzioni con TV a doppio corpo) I valori di Indice Elettrico di progetto sono bassi (0,2- 0,3) Limpianto è molto adatto per cogenerazione industriale, in settori ad alto consumo di calore (produzione carta, tessile,....) I costi di manutenzione sono molto limitati Cogenerazione con impianti a vapore - 2

62 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 62 Dipartimento di Energetica S.Stecco Turbine a gas Turbina a gas con iniezione di vapore Turbina a gas con post-combustione Il punto critico è rappresentato dal rendimento della caldaia a recupero, difficilmente superiore a 0,7 in queste applicazioni (il sistema non si connota come a energia totale) Sono impianti proponibili su taglie 2 MWe – 40 MWe I valori di Indice Elettrico sono medi (0,7- 1) Limpianto è adatto per cogenerazione industriale, in settori a consumo equilibrato di calore ed elettricità (tessile, chimica, materie plastiche, laterizi,....); anche per cogenerazione civile (teleriscaldamento). Le soluzioni con iniezione di vapore sono molto flessibili per la regolazione, nel senso che il vapore non destinato allutenza termica può essere utilizzato per incrementare la produzione di energia elettrica (o viceversa). I costi di manutenzione sono limitati Cogenerazione con Turbine a Gas - 1

63 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 63 Dipartimento di Energetica S.Stecco Cogenerazione con Turbine a Gas - 2 cr = Q rec /Q rec max = (T 4 - T st )/(T 4 - T a ) Un problema caratteristico delle turbine a gas in configurazione cogenerativa é il rendimento relativamente limitato della caldaia a recupero, collegato alla rilevanza delle perdite per calore sensibile allo scarico (caratteristiche di sistemi con eccesso d'aria elevato). Tale rendimento è espresso dal rapporto: La temperatura T 4 allo scarico della turbina a gas è di norma compresa tra 400 e 600 °C; peraltro, la temperatura al camino T st non può raggiungere valori molto bassi (prossimi a T a 25 °C), per due motivi fondamentali: 1) al di sotto dei 100 °C esistono problemi legati alla condensazione dell'umidità presente nei gas di scarico (H2O proveniente perlopiù dalla combustione di idrogeno).Inoltre risulta problematico garantire un adeguato tiraggio al camino - il pennacchio di gas freddi presenta una scarsa tendenza al galleggiamento rispetto all'aria ambiente in cui viene immesso. 2) molti processi cogenerativi riconducono il fluido termovettore (di norma acqua) alla caldaia a recupero in condizioni di temperatura ancora elevate ( °C nel caso di recupero del condensato in condizioni di pressione atmosferica; fino a °C per macchine che reuperano il vapore condensato in condizioni pressurizzate); è quindi impossibile raffreddare i gas nella caldaia a recupero al di sotto della temperatura minima dell'utenza termica.

64 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 64 Dipartimento di Energetica S.Stecco Cogenerazione con Turbine a Gas - 3 Esempio: Si calcoli il valore del rendimento della caldaia a recupero per una temperatura di scarico dei gas alla turbina T 4 = T ig = 500 °C, assumendo T a = 25 °C e T st = T ug pari a 200 oppure 120 °C. cr = Q rec /Q rec max = (T 4 - T st )/(T 4 - T a ) cr = (500 - T st ) / ( ) = 0,63 per T st = 200°C; =0,80 per T st = 120°C

65 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 65 Dipartimento di Energetica S.Stecco Cogenerazione con Turbine a Gas Iniezione di vapore Le Turbine a gas hanno una potenzialità di generazione di vapore superiore alla quantità tipica iniettabile a monte della camera di combustione. In base ai fabbisogni (elettrico e termico) é possibile graduare quanto vapore inviare alliniezione e quanto al processo produttivo. Lattivazione della Postcombustione aggiunge un ulteriore margine di flessibilità allimpianto (Ciclo Cheng ). Taglie proponibili MW e (problema del consumo di acqua).

66 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 66 Dipartimento di Energetica S.Stecco Ciclo Combinato con Post Combustore e Turbina a vapore in contropressione Ciclo Combinato con Post Combustore e Turbina a vapore a condensazione con spillamento Cogenerazione con Turbine a Gas Cicli Combinati Gas-Vapore Sono impianti proponibili su taglie 40 MWe – 600 MWe I valori di Indice Elettrico di progetto sono medio/alti (0,7- 1,5). Limpianto è adatto per cogenerazione industriale, in settori a consumo equilibrato di calore ed elettricità (tessile, chimica, materie plastiche, laterizi,....); anche per cogenerazione civile (teleriscaldamento). Il costo dimpianto è elevato. La regolazione è molto flessibile, ma nellesercizio occorre fare attenzione a rispettare su base annuale i limiti imposti dalla legislazione (IRE) per godere delle agevolazioni ed incentivi di legge. I costi di manutenzione sono limitati in termini relativi al kWh, ma si tratta comunque di grandi impianti termoelettrici che richiedono una gestione onerosa.

67 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 67 Dipartimento di Energetica S.Stecco Bilanci Energetici Le potenzialità cogenerative e i bilanci energetici dipendono dalla tipologia di impianto adottato. Esempio: variazione della potenza elettrica per diverse tipologie di impianto a parità di calore cogenerato Diagrammi di Grassmann IV contropressione TG + HRSG Ciclo combinato Q Ut W El Q2Q2 Q2Q2 Q2Q2 Q Ut

68 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 68 Dipartimento di Energetica S.Stecco Teleriscaldamento Il Teleriscaldamento rappresenta uninteressante possibilità di applicazione civile della Cogenerazione. Il Teleriscaldamento, tipicamente impiegato in zone a clima freddo, consiste nellinsieme degli elementi utilizzati per generare e trasferire il calore generato alle utenze termiche che non sono ubicate presso la centrale di cogenerazione Serve una rete di distribuzione del calore Normalmente sono presenti sottostazioni di distribuzione a livello di quartiere, condominio,..... La rete primaria è in genere con acqua calda in pressione (circa 5 bar) a °C; agli utenti finali si distribuisce calore con una rete secondaria locale a 50-80°C. In grandi città del Nord sono presenti reti di distribuzione primaria di vapore Oggi esiste la possibilità di distribuire calore/freddo (Trigenerazione)

69 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 69 Dipartimento di Energetica S.Stecco Aspetti legislativi e normativi Le leggi sul risparmio energetico (9 e 10 del 1991) e le conseguenti delibere CIPE ( ) hanno facilitato il diffondersi della cogenerazione Il principio fondamentale è quello che consente lautoproduzione di energia elettrica in presenza di un impianto di cogenerazione in cui il peso relativo del calore cogenerato sia superiore ad una quota minima fissata per legge. Generalmente è imposta una elevata quantità di calore cogenerato, dellordine del 70-80% rispetto al valore dellenergia elettrica prodotta. Vantaggi ulteriori derivano dalla possibilità di "Vettoriamento" di energia elettrica e da prezzi di rivendita alla borsa dellenergia convenienti per l'energia prodotta in modo cogenerativo (assimilata alle fonti rinnovabili) Col vettoriamento un azienda con più siti produttivi può distribuire tramite la rete nazionale lenergia elettrica auto prodotta ad altre sedi non dotate di impianto di cogenerazione, a costi nulli o marginali In ogni caso, per l'autoproduttore/cogeneratore di energia elettrica e termica risulta fondamentale la possibilità di interscambiare energia elettrica a costi contenuti mediante il collegamento in parallelo alla rete nazionale Si coprono così gli inevitabili eccessi/carenze di energia elettrica prodotta

70 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 70 Dipartimento di Energetica S.Stecco

71 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 71 Dipartimento di Energetica S.Stecco

72 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 72 Dipartimento di Energetica S.Stecco DLGS 8/02/2007 n. 20 (Allegato 3 Metodo di calcolo del rendimento del processo di cogenerazione) Recepimento Direttiva Europea 2004/08/CE + - =

73 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 73 Dipartimento di Energetica S.Stecco

74 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 74 Dipartimento di Energetica S.Stecco

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77 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 77 Dipartimento di Energetica S.Stecco

78 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 78 Dipartimento di Energetica S.Stecco Lenergia termica immessa in rete, comprensiva delle perdite, è risultata pari a MWht/a. Le perdite medie sono attestate attorno all11% dellenergia immessa in rete. La potenza di picco richiesta dalla rete è di circa 73 MWt. Rete Teleriscaldamento Milano Sud Volumetria residenziale di circa 3,85 milioni di metri cubi riscaldati. Il fabbisogno termico medio nelle ultime tre stagioni termiche è risultato pari a MWht/a. La situazione ottimizzata (dal punto di vista impiantistico,economico, energetico ed ambientale) è quella che prevede una quota di energia di origine cogenerativa attorno al 70÷80% del carico richiesto dalla rete. Tale quota di energia si raggiunge, stante la forma del diagramma di durata tipica del clima tipico delle regioni del nord Italia (figura 1), con una sezione cogenerativa avente una potenzialità termica pari a circa il 45÷50% della potenza di picco richiesta dalla rete.

79 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 79 Dipartimento di Energetica S.Stecco Solare termodinamico ENEA ha sviluppato una propria tecnologia sul solare termodinamico, basata sullimpiego di sali fusi per il circuito primario e lo stoccaggio termico; con ciclo di conversione a vapore. La tecnologia ENEA è stata trasferita a di versi soggetti industriali (Gruppo Angelantoni). Sono previste varie applicazioni: Solare su grande scala Integrazione con geotermia Trasformazione di biomasse in energia elettrica, calore e biocombustibili liquidi

80 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 80 Dipartimento di Energetica S.Stecco GEOTERMIA Core Business: Esplorazione e macchinario per trivellazione. Costruzione di macchine. Ricorda: un impianto geotermico funziona oltre 7000 ore/anno (su 8760) Prospettive di crescita contenute, a meno di sviluppare nuove aree discusse (Amiata) o di ricorrere a nuove tecnologie più costose (EGS). Costo (incluso prospezioni): da 3 a 5000 /kWe

81 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 81 Dipartimento di Energetica S.Stecco

82 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 82 Dipartimento di Energetica S.Stecco

83 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 83 Dipartimento di Energetica S.Stecco Sorgente di calore Rocce fuse o parzialmente fuse Profondità 5-10 Km. T > °C Pozzi di produzione Rocce impermebili c Spessore 500 – 2000 m Serbatoio Rocce porose e fratturate Spessore : 500 – 1500 m Temp. = 150 – 300 °C Pozzo si reiniezione Centrale Vapordotto Impianto di perforazione Sorgenti termali Falda acquifera Acqua meteorica Schema concettuale di un sistema geotermico idrotermale

84 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 84 Dipartimento di Energetica S.Stecco Potenze totali [MW] Potenze totali [MW] T> Livorno Casciana Terme Elsa Cecina Volterra San Gimignano Campiglia Larderello Montecastelli Travale Cornate Massa Marittima Gavorrano Ribolla Monticiano Montemurlo Buonconvento Grosseto Campagnatico Montenero Seggiano Pomonte Roccalbenga Monte Amiata Radicofani Castellazzara Totale Potenza termica estraibile (da 750 a 1500 m ) rispetto a una T_rif=50°C Nellipotesi più pessimistica la potenza termica utilizzabile è pari a circa 2500 MW di cui 1050 da risorse geotermiche a temperature superiori a 100°C e profondità inferiori a 1500 m

85 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 85 Dipartimento di Energetica S.Stecco Impianti Geotermici Binari con fluidi organici (ORC) Gli impianti binari operano a Circuito chiuso: il fluido geotermico (con i possibili contaminanti) non entra in contatto con latmosfera.

86 UNIVERSITA DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria Pag. 86 Dipartimento di Energetica S.Stecco


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