"Gestione delle risorse: Energia", presentazione di F. Melino, Università di Bologna - CIRI Energia e Ambiente. Terza giornata di "Curiosi Sostenibili" ciclo di appuntamenti sull'innovazione green. Il contributo della cogenerazione per ridurre il fabbisogno di energia primaria ed aumentare l'efficienza di conversione dei sistemi alimentati a combustibile. Scopriamo i benefici della legislazione nazionale ed europea per incrementarne la diffusione e la competitività.
#Sostenibilità: valore etico e leva di marketing. Scenari e best practice.
Gestione delle risorse: #Energia
1. Gestione delle risorse: EnergiaGestione delle risorse: EnergiaGestione delle risorse: EnergiaGestione delle risorse: Energia
Ing. Francesco Melino
CIRI Energia e Ambiente – U.O. Bioenergie
Università di Bologna
11 febbraio 2014
2. energia elettrica
combustibile
SISTEMA
Autoconsumo/immissione
Tensione di generazione
La cogenerazioneLa cogenerazione
produzione combinata, in un unico processo,
di energia elettrica/meccanica e calore
energia elettricaSISTEMA
COGENERATIVO
energia termica
calore di scarto
utilizzo diretto o tramite vettore
termico
per usi civili o industriali
Tensione di generazione
energia meccanica ???
3. combustione
sistemi
fissione
e fusione
frigoriferi ad
assorbimento
Elettromagnetica Chimica TermicaAtomica Meccanica
Energia
Nucleare Energia
geotermica
Energia
idraulica
Energia
eolica
Maree
Moto
ondoso
Biomasse
e rifiuti
Energia
solare
Combustibili
fossili
Energia
Dalle FEP all’energia utile all’uomoDalle FEP all’energia utile all’uomo
3
Energia
Meccanica
Energia
Elettrica
sistemi
eliotermici
motori eolici
e idraulici
sistemi TPV, termo-
ionici e termo-elettrici
elettrolisi
reformer
sistemi
fotovoltaici
celle a
combustibile
Idrogeno
Sistemi energetici a
ciclo termodinamico
macchine
elettriche
frigoriferi a
compressione
Energia
Frigorifera
Energia
Termica
4. Dalle FEP all’energia utile all’uomoDalle FEP all’energia utile all’uomo
ConsumoMondialediEnergiaPrimaria[Mtep]
4
ConsumoMondialediEnergiaPrimaria[Mtep]
Fabbisogno Energetico: 12˙000 Mtep (2012)
Popolazione: 6 Miliardi di Persone
-> Procapite: 2 tep/persona/anno
5. Dalle FEP all’energia utile all’uomoDalle FEP all’energia utile all’uomo
Consumo pro-capite di energia primaria per area geografica
5
6. Dalle FEP all’energia utile all’uomoDalle FEP all’energia utile all’uomo
MIX Energetico
25%
6%
2%
1%
10%
carbone
nucleare
idraulica
altre rinnovabili
biomasse e rifiuti
6
35%
21%
olio
gas
8. I numeri italiani della produzione elettricaI numeri italiani della produzione elettrica
(2012)(2012)
Totale = 328.200 GWh
produzione (87 %) importazioni (13 %)
termoelettrica (68 %) altro (32 %)
solo elettrica (53 %) cogenerazione
(47 %)
9. Rendimentoelettrico%
50
60
70
80
Celle a combustibile
Cicli ibridi con FC + turbina a gas
Cicli combinati
TV
Le tecnologieLe tecnologie
Taglia impianto [kW]
Rendimentoelettrico%
0 1 10 100 1000 104 105 106
0
10
20
30
40
Stirling
ORC
TPV
Micro-turbine a gas
USC e
IGCC
TG AD
TG HD
Motori endotermici
alternativi
10. I combustibili sono una fonte energetica “trasportabile” (anche se in
taluni casi questo può risultare economicamente e/o energeticamente
non conveniente)
L’elettricità è un vettore energetico “trasportabile”
Ubicazione del cogeneratoreUbicazione del cogeneratore
Il calore non è trasportabile (se non a brevi distanze)
IL COGENERATORE DEVE ESSERE UBICATO
PRESSO L'UTENZA TERMICA
11. “Generazione distribuita: insieme degli impianti di generazione di potenza
nominale inferiore ai 10 MVA” (Delibera AEEG 328/07)
Definizioni di generazione distribuitaDefinizioni di generazione distribuita
e di piccola e micro generazionee di piccola e micro generazione
“Impianto di piccola/micro generazione un impianto per la produzione di
energia elettrica, anche in assetto cogenerativo, con capacità di generazione
non superiore a 1 MW o a 50 kW” (D.Lgs. n°20 del 8/2/2007)
12. Tabella 1.1.2 – Potenza elettrica installata per settore di attività (dati GSE, anno 2006)
Potenza elettrica installata per settore di attività (dati GSE)
Attività taglia media
(MWe)
Potenza installata
(MWe)
Industria chimica e petrolchimica 114.3 2972
Raffinazione petrolio 136.6 2459
Industria cartaria 16.7 835
Industria siderurgica 185.0 370
Industria alimentare 11.9 202
Industria automobilistica 23.1 162
Le applicazioni della cogenerazioneLe applicazioni della cogenerazione
Industria ceramica 3.9 74
Riscaldamento e teleriscaldamento 12.5
997
Impianti sportivi, alberghi e ristoranti 0.1
Commercio 0.5
Ospedali 1
Case di riposo e simili 1.5
Concerie 2.0
529
Industria tessile, gomma e plastiche 3.0
Industria elettronica 9.0
Trasporti aerei 30.5
13. Generazione continua in parallelo con la rete elettrica nazionale
(“grid connected”)
Generazione continua “ad isola”
“Stand-by” per garantire sicurezza nella fornitura elettrica
LA PICCOLA-COGENERAZIONE
applicazioni
“Peakshaving” per far fronte ad elevate richieste di potenza per
periodi di tempo limitato
“Power quality” per garantire tensione e frequenza costante a
salvaguardia di un processo produttivo
14. Vantaggi economici
Risparmi sui costi energetici (acquisto della materia prima “combustibile” invece
del prodotto finito “energia elettrica”)
L’accesso al regime di sostegno per la CAR
Vantaggi di natura energetica
Riduzione delle perdite energetiche nel trasporto
Risparmio di combustibile (CAR)
LA PICCOLA-COGENERAZIONE
vantaggi
Risparmio di combustibile (CAR)
Vantaggi di carattere ambientale
Riduzione delle grosse infrastrutture per il trasporto ed elettrosmog
Rimozione della sindrome NIMBY
Sfruttamento di siti rinnovabili
Vantaggi per la sicurezza e la qualità dell’approvvigionamento elettrico
Riduzione del rischio di black-out
Alleggerimento del carico di alcune reti elettriche
15. Per l’installatore
Iter autorizzativi
Aspetti economici (elevato costo specifico delle soluzioni più innovative, scarsa
valorizzazione dell’energia elettrica ceduta alla rete, ecc.)
Conciliazione della domanda elettrica/termica/ frigorifera (scelta della taglia e della
tipologia di impianto)
Per il sistema elettrico e del gas
LA PICCOLA-COGENERAZIONE
problematiche
Per il sistema elettrico e del gas
Impatto sul sistema elettrico (utilizzo delle reti di distribuzione in maniera attiva e non più
passiva)
Necessità di potenziare reti di distribuzione del gas
Per gli enti locali
Introduzione di nuove sorgenti emissive in aree urbane o comunque densamente
popolate
16. Quadro normativo nazionale per laQuadro normativo nazionale per la
Cogenerazione ad Alto RendimentoCogenerazione ad Alto Rendimento
16
Cogenerazione ad Alto RendimentoCogenerazione ad Alto Rendimento
(CAR)(CAR)
17. Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR)Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR)
AEEG
42/02
7 mar 2007
decreti MSE 4/8/2011
e 5/9/2011
Decreto
Bersani
1 aprile 99 2002 2004
2004/8/CE D.Lgs. 20/07
1 gen 2011
• Le unità di cogenerazione entrate in esercizio dopo il 1 gennaio 2011 sono
considerate CAR se rispondono ai requisiti del decreto 4 agosto 2011
17
considerate CAR se rispondono ai requisiti del decreto 4 agosto 2011
• Le unità di cogenerazione entrate in esercizio tra il 7 marzo 2007 e il 31
dicembre 2010 sono ammesse ai benefici del decreto 5 settembre 2011 se
CAR oppure se riconosciute cogenerative secondo la delibera AEEG 42/02 e
successive modifiche ed integrazioni
• Le unità di cogenerazione entrate in esercizio tra il 1 aprile 1999 e il 7 marzo
2007 sono ammesse ai benefici del decreto 5 settembre 2011 se riconosciute
cogenerative ai sensi delle norme applicabili alla data di entrata in esercizio
18. limPESPES >
Risparmiare combustibile ...
Condizioni energetiche per la CARCondizioni energetiche per la CAR
18
onecogenerazida
elettricaenergia
... e soddisfare una richiesta di calore utile
19. per la piccola
cogenerazione
(Pe < 1 MW)
Risparmio di combustibileRisparmio di combustibile
>
+
−=
0
1,0
E
p
E
E
1PES
te
c
tses ηη
19
Tipo di combustibile
CARBONE FOSSILE
COMBUSTIBILI A BASE DI LEGNO
BIOMASSE AGRICOLE
44,2
33,0
25,0
…
GAS NATURALE
GAS DI RAFFINERIA/IDROGENO
BIOGAS
…
52,5
44,2
42,0
…
esη
ac,eim,e
ac,eacim,eim
EE
EpEp
p
+
+
=
pim pac
<0,4 kV 0,925 0,860
0,4-50 kV 0,945 0,925
50-100 kV 0,965 0,945
100-200 kV 0,985 0,965
>200 kV 1 0,985
20. per la piccola
cogenerazione
(Pe < 1 MW)
Risparmio di combustibileRisparmio di combustibile
>
+
−=
0
1,0
E
p
E
E
1PES
te
c
tses ηη
Gas naturale con
produzione di vapore
o acqua calda
ηηηηts= 90 %
20
Tipo di combustibile
CARBONE FOSSILE
COMBUSTIBILI A BASE DI LEGNO
BIOMASSE AGRICOLE
44,2
33,0
25,0
…
GAS NATURALE
GAS DI RAFFINERIA/IDROGENO
BIOGAS
…
52,5
44,2
42,0
…
esη
ac,eim,e
ac,eacim,eim
EE
EpEp
p
+
+
=
pim pac
<0,4 kV 0,925 0,860
0,4-50 kV 0,945 0,925
50-100 kV 0,965 0,945
100-200 kV 0,985 0,965
>200 kV 1 0,985
21. Elettricità da cogenerazione e calore utile
Esempi di calore utile:
• calore utilizzato in processi industriali
• calore utilizzato per riscaldamento o raffrescamento di ambienti
Solo parte dell’energia elettrica prodotta viene riconosciuta
come «ELETTRICITA’ DA COGENERAZIONE»
21
• calore utilizzato per riscaldamento o raffrescamento di ambienti
• gas di scarico utilizzati direttamente per essiccare
Esempi di calore NON utile:
• calore disperso da camini o dissipato in condensatori o altri dispositivi di
smaltimento
• calore utilizzato per il funzionamento dell’impianto di cogenerazione
• calore esportato verso altri siti e ivi utilizzato per produrre elettricità
• calore di ritorno all’impianto di cogenerazione che produce acqua calda
• il calore delle condense di ritorno è considerato calore utile
22. Elettricità da cogenerazione e calore utile
<
≥
+=
lim
lim
η
η
ηηη tetot
TUTTA l’elettricità prodotta
viene considerata «da
cogenerazione»
22
=
750
80,0
lim
,
η
PARTE dell’elettricità prodotta viene
considerata «da cogenerazione»
EECOGCOG = CE= CETT
cicli combinati e
TV a condensazione
tutti gli altri
23. PiccolaPiccola
cogenerazione acogenerazione a
gas naturale congas naturale con
MCI e 100 % diMCI e 100 % di
autoconsumo inautoconsumo in
BTBT 0.6
0.8
1.0
η
t
ηtot
= 1
ηtot
= 0.75
Il recupero termico: la condizione per essere CAR
0.0
0.2
0.4
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5η
e
PES=0
C = 0.75
24. Come si posizionanoCome si posizionano
PiccolaPiccola
cogenerazione acogenerazione a
gas naturale congas naturale con
MCI e 100 % diMCI e 100 % di
autoconsumo inautoconsumo in
BTBT 0.6
0.8
1.0
η
t
Il recupero termico: la condizione per essere CAR
Come si posizionanoCome si posizionano
i cogeneratori ini cogeneratori in
commerciocommercio
((dati di targadati di targa))
Recupero termicoRecupero termico
totaletotale 0.0
0.2
0.4
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5η
e
Recupero Termico
100%
del totale disponibile
25. PiccolaPiccola
cogenerazione acogenerazione a
gas naturale congas naturale con
MCI e 100 % diMCI e 100 % di
autoconsumo inautoconsumo in
BTBT 0.6
0.8
1.0
η
t
Come si posizionanoCome si posizionano
Il recupero termico: la condizione per essere CAR
0.0
0.2
0.4
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5η
e
Recupero Termico
75%
del totale disponibile
Come si posizionanoCome si posizionano
i cogeneratori ini cogeneratori in
commerciocommercio
((dati di targadati di targa))
Recupero termico pariRecupero termico pari
alal 75 %75 % del totaledel totale
26. PiccolaPiccola
cogenerazione acogenerazione a
gas naturale congas naturale con
MCI e 100 % diMCI e 100 % di
autoconsumo inautoconsumo in
BTBT 0.6
0.8
1.0
η
t
Come si posizionanoCome si posizionano
Il recupero termico: la condizione per essere CAR
0.0
0.2
0.4
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5η
e
Recupero Termico
50%
del totale disponibile
Come si posizionanoCome si posizionano
i cogeneratori ini cogeneratori in
commerciocommercio
((dati di targadati di targa))
Recupero termico pariRecupero termico pari
alal 50 %50 % del totaledel totale
27. Certificati Bianchi (secondo D.M. 5/9/11 o, se rinnovabili, premio previsto
al DM 6/7/2012)
Defiscalizzazione sull’acquisto del combustibile per uso cogenerativo
(anche per i non CAR)
Ritiro dedicato fino a 10 MVA e scambio sul posto fino a 200 kWe,
(AEEG 570/2012/R/eel)
Regime di sostegno alla cogenerazione
Contributi regionali
Condizioni agevolate per la connessione elettrica
Esenzione dalla quota di energia per il calcolo dei Certificati Verdi
(sopra i 100 GWh/anno)
Priorità di dispacciamento (anche per chi non è CAR, ma ha taglia < 10
MVA)
Garanzia di Origine (GO)
28. [MWh],
,
cogc
ts
t
es
coge
E
EE
RISP −+=
ηη
KRISPCB ⋅⋅= 086,0II)(tipo
I certificati bianchi
=
=
90.0
82.0
46.0
ts
es p
η
η
Potenza unità di
cogenerazione
K
≤ 1 MWe 1,4
> 1 fino a 10 MWe 1,3
> 10 fino a 80 MWe 1,2
> 80 fino a 100 MWe 1,1
> 100 MWe 1,0
29. 10
12
14
16
€
MWhe
Potenza < 1 MW
autoconsumo in BT
Potenza = 25 MW
immissione e autoconsumo MT
tep
CB
tot
€100
8.0
=
=η
I certificati bianchi
4
6
8
10
0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
rendimento elettrico
Potenza > 100 MW
immissione rete AT
immissione e autoconsumo MT
30. La defiscalizzazione del combustibile
Quantità di combustibile defiscalizzato:
0,22 Sm3 di combustibile per ogni kWhe prodotto
Risparmio conseguibile:Risparmio conseguibile:
da 3 a 45 €/MWhe in base all’accisa prevista per l’utenza
• Accisa su GN per usi industriali e assimilati o civili ≈ da 0.01 a 0.20 €/Sm3
• Accisa su GN per generazione elettrica ≈ 0.0005 €/Sm3
31. Il quadro normativo riguardante la vendita del surplus elettrico
dipende da ogni singola applicazione e non è possibile fare previsioni
attendibili sui ricavi da essa derivanti.
Le metodologie di vendita dell’energia elettrica prodotta in surplus
sono:
• Libero mercato: vendita diretta in borsa o tramite accordi
• bilaterali;
Vendita delle eccedenze elettriche
• bilaterali;
• Ritiro dedicato: modalità e condizioni economiche definite dall’AEEG
• (P<10 MVA);
• Scambio sul posto: C.A.R potenza elettrica inferiore a 200 kW (Tariffa
fissa Omnicomprensiva solo se alimentati da fonti rinnovabili con
potenza elettrica fino a 1 MWe.)
32. Il quadro normativo riguardante la vendita del surplus elettrico
dipende da ogni singola applicazione e non è possibile fare previsioni
attendibili sui ricavi da essa derivanti.
Le metodologie di vendita dell’energia elettrica prodotta in surplus
sono:
• Libero mercato: vendita diretta in borsa o tramite accordi
• bilaterali;
Vendita delle eccedenze elettriche
• bilaterali;
• Ritiro dedicato: modalità e condizioni economiche definite dall’AEEG
• (P<10 MVA);
• Scambio sul posto: C.A.R potenza elettrica inferiore a 200 kW (Tariffa
fissa Omnicomprensiva solo se alimentati da fonti rinnovabili con
potenza elettrica fino a 1 MWe.)
33. Dati economici ed
energetici
Costo dell’investimento
= 900 €/kW
Vita impianto = 15 anni
Tasso interesse = 5%
rendimento elettrico
annuo = 36%
Ma allora, conviene o no la cogenerazione?
250
300
350
€/MWh costo produzione
annuo = 36%
rendimento termico
annuo = 40%
Costo del gas = 30
€/MWhgas
Costo manutenzione = 10
€/MWhe
0
50
100
150
200
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
ore di esercizio annue
34. Dati economici ed
energetici
Costo dell’investimento
= 900 €/kW
Vita impianto = 15 anni
Tasso interesse = 5%
rendimento elettrico
annuo = 36%
Ma allora, conviene o no la cogenerazione?
250
300
350
€/MWh costo produzione
ricavi autoconsumo
+ defiscalizzazione
annuo = 36%
rendimento termico
annuo = 40%
Costo del gas = 30
€/MWhgas
Costo manutenzione = 10
€/MWhe
0
50
100
150
200
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
ore di esercizio annue
35. Dati economici ed
energetici
Costo dell’investimento
= 900 €/kW
Vita impianto = 15 anni
Tasso interesse = 5%
rendimento elettrico
annuo = 36%
Ma allora, conviene o no la cogenerazione?
250
300
350
€/MWh costo produzione
ricavi autoconsumo
+ defiscalizzazione
ricavi autoconsumo +annuo = 36%
rendimento termico
annuo = 40%
Costo del gas = 30
€/MWhgas
Costo manutenzione = 10
€/MWhe
0
50
100
150
200
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
ore di esercizio annue
ricavi autoconsumo +
defiscalizzazione
senza recupero termico
36. Dati economici ed
energetici
Costo dell’investimento
= 900 €/kW
Vita impianto = 15 anni
Tasso interesse = 5%
rendimento elettrico
annuo = 36%
Ma allora, conviene o no la cogenerazione?
250
300
350
€/MWh costo produzione
ricavi autoconsumo
+ defiscalizzazione
ricavi autoconsumo +annuo = 36%
rendimento termico
annuo = 40%
Costo del gas = 30
€/MWhgas
Costo manutenzione = 10
€/MWhe
0
50
100
150
200
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
ore di esercizio annue
ricavi autoconsumo +
defiscalizzazione
senza recupero termico
ricavi vendita +
defiscalizzazione
37. Dati economici ed
energetici
Costo dell’investimento
= 900 €/kW
Vita impianto = 15 anni
Tasso interesse = 5%
rendimento elettrico
annuo = 36%
Ma allora, conviene o no la cogenerazione?
250
300
350
€/MWh costo produzione
ricavi autoconsumo
+ defiscalizzazione
ricavi autoconsumo +annuo = 36%
rendimento termico
annuo = 40%
Costo del gas = 30
€/MWhgas
Costo manutenzione = 10
€/MWhe
0
50
100
150
200
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
ore di esercizio annue
ricavi autoconsumo +
defiscalizzazione
senza recupero termico
ricavi vendita +
defiscalizzazione
ricavi vendita +
defiscalizzazione
senza recupero termico
38. Un esempio applicativo
Oggetto: Centro Direzionale
Zona Climatica: E (2258 GG) – anno termico: 15 ottobre – 15 aprile
Superficie Totale: 6000 m2
39. Un esempio applicativo
Codice di Calcolo: TRIGEN 3.0Codice di Calcolo: TRIGEN 3.0
Profili di Carico
Scenario Tariffario
RISULTATI
ENERGETICI
Sviluppato dal gruppo di Sistemi e Macchine per L’Energia e l’Ambiente del DIN –
Università di Bologna in ambiente VBA con interfaccia in Excel
Scenario Tariffario
Indicazioni Località
Criteri Regolazione
Caso Riferimento
Scenario Economico
Lay out
TRIGEN
3.0
RISULTATI
ECONOMICI
50. Un esempio applicativo
CASO#1: produzione di solo calore
(motore acceso solo in inverno - 1200 – feriali 8-19)
0.8
1.0
η
t
ok 2004/8/CE e 42/02
ok 42/02 - no 2004/8/CE
50 kW 30 kW
0.0
0.2
0.4
0.6
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5η
e
100 kW
90 kW
125 kW
51. Un esempio applicativo
CASO#1: produzione di solo calore
(motore acceso solo in inverno - 1200 – feriali 8-19)
Potenza elettrica MOTORE [kW] 0 30 50 90 100 125
FLUSSO DI CASSA [€] -87˙733 -78˙379 -76˙658 -74˙911 -74˙930 -72˙918
PBP [anni] - 5 6 11 12 14
TIR [%] - 23 17 10 9 8
VAN FINE INVESTIMENTO [€] - 76˙419 74˙111 53˙603 43˙318 44˙046
80000
40000
50000
60000
70000
80000
0 30 50 90 100 125
Potenza Elettrica Motore [kW]
[€]
52. Prof. Ing. Michele Bianchi
Responsabile Unità Operativa Bioenergie - CIRI Energia e Ambiente
Alma Mater Studiorum Università di Bologna
Viale del Risorgimento, 2
40136 Bologna
Email: michele.bianchi@unibo.it
Tel. Ufficio: 051 2093317
Sito web: www.energia-ambiente.unibo.it
52
Ing. Francesco Melino
CIRI Energia e Ambiente
Alma Mater Studiorum Università di Bologna
Viale del Risorgimento, 2
40136 Bologna
Email: francesco.melino@unibo.it
Tel. Ufficio: 051 2093318
Sito web: www.energia-ambiente.unibo.it
53. Agevolazioni per la CHP: i numeri
Riassunto dei valori delle agevolazioni CHP
In conclusione per la CAR si ha:
" incentivazione D.M. 5/9/2011, circa 15 €/MWh per 10 (15
per TLR) anni.
" (se rinnovabile D.M. 6/7/12 con tariffa base 85-257€/
MWh + premio CAR 10-40€/MWh)
" lo scambio sul posto, disponibile fino a 200 kW, vale da 10" lo scambio sul posto, disponibile fino a 200 kW, vale da 10
a 30 €/MWh, a seconda che sia a fonti fossili o a fonti
rinnovabili.
" priorità di dispacciamento dell’energia elettrica prodotta;
" esenzione dall’obbligo dei CV (Produttori En. El. > 100
GWh/anno);
" condizioni agevolate per la connessione elettrica;
Il GSE su richiesta rilascia la Garanzia di Origine (GO) per
l’energia elettrica prodotta da CAR