Cogenerazione e Trigenerazione PDF

*COGENERAZIONE E TRIGENERAZIONE* La COGENERAZIONE è la produzione simultanea di energia elettrica e termica. L'energia termica è un effetto utile del processo. È importante specificare che il calore è l'effetto utile perché tutti gli impianti producono Qout, ma non sono per questo tutti cogene...

*COGENERAZIONE E TRIGENERAZIONE* La COGENERAZIONE è la produzione simultanea di energia elettrica e termica. L'energia termica è un effetto utile del processo. È importante specificare che il calore è l'effetto utile perché tutti gli impianti producono Qout, ma non sono per questo tutti cogenerativi. Il fatto che il calore sia l'effetto utile dipende dalla sua T, ed in particolare dalla sua energia. Il valore dell'energia termica dipende da quanto lavoro utile posso ottenere (a T ambiente è inutile, abbiamo bisogno di alte T). \+ La TRIGENERAZIONE indica invece che oltre all'energia elettrica ed al calore, produciamo energia frigorifera. Un esempio è dato dal motore dell'automobile.\ Sono entrambi processi utilizzati in ambito civile ed industriale. Fare tutto questo in un unico impianto può infatti presentare dei vantaggi. Per quanto riguarda la cogenerazione abbiamo due tipologie:\ 1) TOPPING: tecnologia più diffusa. Il motore è alimentato con combustibile, produce lavoro, scarica potenza in uscita che confluisce in un recupero termico, da cui otteniamo potenza utile; page85image100350384page85image83032960 fa in page85image100347680page85image100347264page85image96893152 2\) BOTTOMING. È↳ 0in\ L L Òout ÀUTILE toni\ → Diutile Eμ Èout →L page85image97082064 L'EXERGIA è la massima frazione di energia di prima specie (meccanica, potenziale, cinetica,\...) che può essere convertita in lavoro meccanico. L'energia infatti non è tutta uguale, ma tutte le forme di energia sono equivalenti dal punto di vista del lavoro estraibile.\ Perché si usano questi impianti? Perché non si fa come nelle case? Questo avviene perché nelle grandi realtà (centri commerciali per esempio) è più conveniente rispetto al processo tradizionale. Conviene dal punto di vista dei costi: autoproducendo energia e calore recupero l'investimento iniziale. Spendo molto all'inizio per costruire l'impianto, ma recupero negli anni. A livello di normativa e di legislatura, la cogenerazione ad alto rendimento è incentivata perché essa consente di avere un beneficio generale. Questo perché c'è un risparmio energetico rispetto alla produzione separata di energia termica ed elettrica: brucio una sola volta i combustibili. page85image97085184page85image97084352 page86image167218848 Osserviamo cosa accade nel caso di produzione separata e cogenerazione: ***PRODUZIONE SEPARATA:*** Eel ← ← centralizzatrice μ. ***COGENERAZIONE:*** a. I\' Ed @  Retta page86image167217808 Feu=Èf feetuelecarlnrom teq Fcog - page86image167217392 ← caldaia Fa - fetenti\ In generale al legislatore interessa incentivare gli impianti che consentano un risparmio energetico, perciò è page86image167216976 necessario avere: Feat Fa- Fcg so É la condizione affinché l'impianto sia incentivato. È necessario risparmiare energia primaria, ovvero a parità di consumi voglio usare meno combustibile. page86image167216768page86image167216352page86image167215936 Fcogcfetfaf-IRE.E Definiamo un indice detto INDICE DI RISPARMIO ENERGETICO (in inglese è detto PES= primary energy saving) che ci dice se un impianto può accedere all'incentivo:  =1-= Fece + fa Fretta Esistono anche altri indici (i quali però non rientrano nella normativa): \+ \- 3 Egidia: c incentrato Fà1- → page86image167215520page86image167215104 -R E N D I M E N T O E L E T T R I C O TERMICO DEL D E L C O G E N E R A T O R E COGENETTATORE b e l = E I Fog A - Fcog  RENDIMENTO a.- tfth= page86image167228208 INDICE ELETTRICO IE - = EIÈ a  a. RENDIMENTOD.l\"t?PRiNUPIO-lfI= Non può essere maggiore di 1 perché l'energia non si crea e non si distrugge. page86image167228624 Fcog page86image83024784 Il rendimento di primo principio non è molto rigoroso in quanto mette insieme energie di diverso valore termodinamico (l'energia elettrica è più nobile). Si introduce quindi il rendimento di secondo principio (peso il calore moltiplicandolo per il rendimento di Carnot) μ ÈF → e\' coerente più le due omogenee page86image167230496 Fcog grandezze s o n o perché page87image166993840page87image82872960page87image166994880page87image166995504page87image166995920page87image166997376page87image166997792page87image166998208page87image166998624page87image166999040page87image166999456page87image166999872 page88image167221968page88image167220720page88image167219056page88image167221344page88image167221552page88image167135680page88image167170320page88image166993424page88image167208080page88image167209952page88image167209328page88image167209536 In generale l'indice di risparmio energetico (IRE) è quello più sicuro da utilizzare ed usato anche dalle normative europee. Ci sono delle normative (pagine precedenti) che stabiliscono dei limiti o dei criteri da rispettare. Prima del 2002 la cogenerazione esisteva come concetto, ma aveva una applicazione limitata perché non prevista come opzione degli incentivi. Bisogna rispettare anche un altro parametro, detto LIMITE TERMICO, oltre il cui valore non si può andare: Ath\ Eel t ath La normativa italiana definisce i rendimenti di riferimento (IRE) sulla base della taglia dell'impianto cogenerativo e su÷lla base del quantitativo di combustibile utilizzato. Per la normativa europea questo non è previsto e si confrontano gli impianti solo sulla base del combustibile impiegato. Si utilizza un altro parametro (che vedremo essere sempre pari all'IRE) detto PES: ÈÉ÷ÉI Lt- page89image167339568 TÈ È =i FÈ;ÈÌ: i FERIE = tre page89image167340400 -=i \- page89image167339776page89image167343936 \'⇒ ⇒ \_ -= +a Negli anni si rinnovano sempre i rendimenti (in genere aumentano). Tra le agevolazioni della cogenerazione troviamo:\ -priorità di dispacciamento (cioè posso vendere alla rete);\ -esonero oneri di rete per autoconsumatori; -ottenere titoli di efficienza energetica; -agevolazioni fiscali sull'accisa del gas; -accedere a servizi di scambio;\ -applicare condizioni tecnico-economiche.  Tecnologie degli impianti cogenerativi Per quanto riguarda la cogenerazione di tipo topping, esistono diverse tecnologie in funzione della taglia dell'impianto: impianti di grande scala (turbine a gas, turbine a vapore, cicli combinati, cicli combinati da repowering (ovvero stesse tecnologie viste per la produzione termoelettrica)); impianti a piccola scala (ovvero 100 kW-5MW come motori a combustione interna, microturbine a gas); tecnologie innovative per la piccola scala (celle a combustibile, motori Stirling, termofotovoltaico (sono per la piccolissima scala, come per esempio le abitazioni)). page90image167436624page90image167440160page90image167440576page90image167440992 Tutte le tecnologie cogenerative sono rappresentabili nel grafico accanto. GRANDE s c a la page90image167441408 Nei cicli a gas la maggior quantità di calore perso è nei fumi in uscita dalla turbina: aggiungiamo quindi una CALDAIA DI RECUPERO. É poi presente un camino di by-pass che ci permette di decidere se rimandare i fumi in caldaia o se disperderli in atmosfera. Il post-combustore serve invece per regolare la potenza termica. Nei cicli a vapore cogenerativi è necessario adeguare la turbina. Non avremo più una turbina con no stadi che ci consenta di arrivare ad una pressione del fluido di X bar a Tamb, ma calibriamo il numero di stadi in modo da raggiungere la pressione minima, e quindi condensare a T più elevata. Per la presenza di una pressione più elevata di quella che avrei in un impianto per la sola produzione di energia elettrica, definiamo questo schema come TURBINA A VAPORE IN CONTROPRESSIONE. Il condensatore non dissipa calore, ma lo recupera. Una volta scelta la turbina, ho definito il salto entalpico (in rosso) quindi ho poco margine di modulazione della potenza elettrica (basso rendimento elettrico, intorno al 25%). ÷:\*: È un processo molto utilizzato a livello industriale, ma il suo limite è dato dal fatto che è necessaria la presenza di un carico termico. Prima avevamo il condensatore che dissipava calore, adesso invece no ed è perciò necessario avere un carico termico che dissipi calore al posto del condensatore. Quindi si presta bene per applicazioni continuative, dove si ha una costante dissipazione. Non si presta bene per teleriscaldamento. (Circa 5MW). page90image167442032page90image167442448page90image167442864page90image167443280page90image167443904page90image167333536page90image167338528page90image167338736page90image167337072page90image167334368page90image167336864 A Brescia c'è un impianto a vapore ma è un'altra tipologia (pagina seguente). Ha maggiore flessibilità. Prendiamo il calore (ovvero vapore ad alta pressione) solo quando serve, quindi è un impianto che va bene per applicazioni non continuative. Se mi serve del calore, spillo del vapore, lo mando alla rete, dove condensa cedendo calore, e poi torna indietro la condensa. Il resto del vapore completa l'espansione in turbina producendo energia elettrica. Se non serve calore, tutto il vapore completa l'espansione in turbina e produce la massima energia elettrica. É per questo motivo più flessibile e versatile rispetto alla turbina in contropressione ed estremamente utile a seconda della stagione in cui ci troviamo (estate o inverno) (è tuttavia più complesso e meno compatto visto che c'è qui il condensatore). É sostanzialmente un impianto a vapore tradizionale, ma con la possibilità di spillare vapore alla T che serve. page91image167467104page91image167465648page91image83295328page91image167469600page91image167470016page91image167470432page91image167470848 \~ turbina. É come un ciclo combinato tradizionale, con due livelli di pressione. È qui però presente un COLLETTORE di vapore con valvola che prende vapore a T e p intermedie, aggiungendo vapore di bassa pressione. Se non vogliamo avere cogenerazione, si immette tutto il vapore a bassa pressione nella turbina (la valvola non si apre). Quando è invece richiesta una utenza termica, si immette tutto il vapore (apro la valvola) nell'utenza (produco meno energia, ma fornisco calore). Questo è ottimale perché in estate produco solo energia elettrica ed in inverno anche calore. page91image167471264page91image167471680page91image167472096page91image167472512page91image167472928 PICCOLA scala  Tutte le tecnologie viste sino a questo momento concernono impianti di grossa taglia (cioè con ordine dei MW). La cogenerazione di piccola taglia è invece racchiusa nel modello della COGENERAZIONE DISTRIBUITA (contrapposto al modello della generazione centralizzata). É costituita da una rete di distribuzione che fornisce alle utenze ed ai consumatori (\