Riassunto del ciclo combinato PDF

È è la ricombustione. Significa sostanzialmente Dal punto di vista del calore specifico, questa situazione è vantaggiosa, perché...

È è la ricombustione. Significa sostanzialmente Dal punto di vista del calore specifico, questa situazione è vantaggiosa, perché area grande H si aumenta la potenza del ciclo (si aggiunge un nuovo ciclo). Dal punto di vista del rendimento per il ciclo ideale questa condizione è svantaggiosa: infatti, si aggiunge un ciclo con un rapporto di compressione minore e di conseguenza PI lavoro si avrà un rendimento più basso; quindi complessivamente si va a ridurre il rendimento. Neanche dal punto di vista pratico ci sono vantaggi, anzi si peggiora la hocpolead alto tempestareprelevando situazione aumentando la temperatura della macchina (t3 più alto). amen one può aver senso. Se la considero una macchina in un ciclo semplice gg (solo produzione di energia elettrica), questa soluzione non ha senso perché si va a complicare la macchina. Però ovendo movimentare un ciclo a vapore. sistema di abbattimento mmm della turbina un H x limitare la Tmaxhanno funto la Voglio che il punto di uscita della turbina a gas sia di 600° C perché devo sfruttare questo calore per alimentare il ciclo a vapore. Accetto di perdere rendimento poiché non mi interessa il rendimento della singola macchina ma fornire calore. Non abbiamo un ciclo a 1500°C ma un ciclo a 1250°C, ed abbiamo sempre i fumi a 600°C che possono risultare utili in ottica di un ciclo combinato. Ciò inoltre può essere un vantaggio per la riduzione della produzione di alcuni inquinanti solo un ciclo combinato e ha due combustori. è possibile, dal punto di vista teorico, combinare le diverse soluzioni per migliorare il rendimento. Si possono aumentare i rendimenti, ma questo comporterebbe costi e complessità troppo elevati nella pratica. (sulle slide Rassegna delle principali macchine presenti sul mercato a seconda della potenza e del rendimento. massimo di rendimento. POTERE CALORIFICO DI UN COMBUSTIBILE Questo serve per una combustione di una turbina a gas, dove: btI dalbilanciodi portata inf matric inf Mig.FI portatofumi Facciamo il bilancio di energia sulla combustione, che è un bilancio di entalpia: da N h entalpia a Tambiente riferimento Quando si ricava il potere combustibile di un combustibile si considera un combustore in cui sia il combustibile che il comburente entrano a temperatura ambiente T°=25°C (°=condizioni di riferimento). Per ricavare il potere calorifico, si sottraggono le condizioni di riferimento dei fumi: es see 9 di uncombustibile KI kg f f ftp.mf.tk Il potere calorifico è di fatto la potenza termica che io ricavo raffreddando i fumi a temperatura ambiente. Si ha una I combustione che brucia un combustibile; da questa combustione, si ottengono dei fumi a temperatura elevata con un Esiste un potere calori attianna co inferiore e superiore: il vapore portato a temperatura ambiente condensa (non tutto, dipende dalla pressione parziale). La di erenza tra superiore e inferiore sta proprio nel considerare o no il valore di calore latente di condensazione (se non la considero uso quello inferiore). È una scelta ma il problema è che questo crea situazioni di ambiguità poiché il rendimento è Wnetta/mc*PC. Si deve speci care il PC, in Europa si usa di più l’infeirore.  Pcdovrebbeeserequello superiore ma Nel caso della caldaia a inferiore storie nei cataloghi usano quello condensa condensazione si usano quello infi invece riff e prima deve a entalpia h°f; volendo raffreddare i fumi a temperatura ambiente, la potenza termica che si ricava è il potere calorifico del combustibile. e anche il combustibile f f Sviluppando i calcoli si ottiene: h ti f f Fà Questi tre termini costituiscono la definizione del potere calorifico (quelli sottolineati). f f f nicPd -h Quello che non bisogna trascurare è il fatto che il combustore ha una perdita termica perché si trova ad alta temperatura (si moltiplica il coefficiente per 1-epsilon); ciò significa che il potere calorifico non è totalmente utile per riscaldare i fumi, ma una parte viene persa. Oltre alla perdita termica, subisce anche una perdita di pressione in quanto sono coinvolti flussi. Cicli combinati aggggguagenya e generalmente di Bilancio combustore nonc'è en sur I fumi che escono a temperatura elevata vanno a finire in un componente che si chiama caldaia a recupero. Questa è sostanzialmente uno scambiatore di calore GEturbina abbastanza complesso e va a sostituire quella che è in un ciclo a vapore a tradizionale la caldaia che brucia carbone. cui gas Il ciclo a vapore in questo caso non necessita di un combustibile ma è un ciclo a recupero. ARSE caldaia I rendimenti che si raggiungono con questi impianti superano la soglia del 60%. Dal punto di vista termodinamico i due cicli si accoppiano perfettamente. Iper Configurazione di impianto a ciclo combinato di grossa taglia 420 MWe Questa è una grossa centrale termoelettrica; normalmente, questi impianti hanno dimensioni grandi. cicli a vapore alimentati a carbone). Le centrali a vapore sono state sostituite da cicli combinati. Sono stati costruiti nuovi impianti per cicli combinati oppure si partiva da centrali a vapore obsolete che venivano ripotenziate introducendo a cicli a vapore cicli a gas in maniera tale da realizzare un ciclo combinato (operazioni di ri-potenziamento). Bo Negli anni però è stata incentivata molto la produzione di energia proveniente da fonti rinnovabili. Ciò ha frenato la diffusione dei cicli combinati. Si preferisce utilizzare energia proveniente da fonti rinnovabili prima di ricorrere a quella derivante dei cicli combinati, che sono stati realizzati per produrre su un monte ore molto più ampio e il fatto di ridurre le ore di lavoro li rende una scelta meno efficiente a parità di costi. combinati non sarebbero stati realizzati. Facciamo una discussione dal punto di vista teorico e termodinamic quello di recuperare nel modo più efficiente i fumi in uscita dalla turbina per generare calore per il secondo ciclo.  Caldaia a recupero. L’idea è quella di ottimizzare la realizzazione dell’impianto con una sola caldaia che scalda il vapore di tutti e tre i cicli a vapore (vedi sotto) in modo da non replicare troppo e non aumentare i costi di impianto. Questa ha tre livelli di pressione (si vede dai tre cilindri Rossi sul tetto). Foto pagina sotto  Bo si ricava è il potere calorifico del entalpia h°f; volendo raffreddare i fumi a temperatura ambiente, la potenza termica che combustibile. g µ ma Perdita della turbina è il calore disponibile -h Sviluppando i calcoli si ottiene: Adispettids chepuò Taub essere utilizzatofarfense Questi tre termini costituiscono la definizione del potere calorifico (quelli sottolineati). Quello che non bisogna trascurare è il fatto che il combustore ha una perdita termica perché si trova ad alta temperatura iI (si moltiplica il coefficiente per 1-epsilon); ciò significa che il potere calorifico non è totalmente utile per riscaldare i fumi, ma una parte viene persa. Oltre alla perdita termica, subisce anche una perdita di pressione in quanto sono coinvolti flussi. Cicli combinati I fumi che escono a temperatura elevata vanno a finire in un componente che si chiama caldaia a recupero. Questa è sostanzialmente uno scambiatore di calore abbastanza complesso e va a sostituire quella che è in un ciclo a vapore tradizionale la caldaia che brucia carbone. Il ciclo a vapore in questo caso non necessita di un combustibile ma è un ciclo a recupero. I rendimenti che si raggiungono con questi impianti superano la soglia del 60%. Dal punto di vista termodinamico i due cicli si accoppiano perfettamente. T.EE Configurazione di impianto a ciclo combinato di grossa taglia 420 MWe Questa è una grossa centrale termoelettrica; normalmente, questi impianti hanno dimensioni grandi. cicli a vapore alimentati a carbone). Le centrali a vapore sono state sostituite da cicli combinati. Sono stati costruiti nuovi impianti per cicli combinati oppure si partiva da centrali a vapore obsolete che venivano ripotenziate introducendo a cicli a vapore cicli a gas in maniera tale da realizzare un ciclo combinato (operazioni di ri-potenziamento). Negli anni però è stata incentivata molto la produzione di energia proveniente da fonti rinnovabili. Ciò ha frenato la diffusione dei cicli combinati. Si preferisce utilizzare energia proveniente da fonti rinnovabili prima di ricorrere a quella derivante dei cicli combinati, che sono stati realizzati per produrre su un monte ore molto più ampio e il fatto di ridurre le ore di lavoro li rende una scelta meno efficiente a parità di costi. combinati non sarebbero stati realizzati. Facciamo una discussione dal punto di vista teorico e termodinamic quello di recuperare nel modo più efficiente i fumi in uscita dalla turbina per generare calore per il secondo ciclo. Discutiamo su quale sia dal punto di vista termodinamico il modo più efficiente di recuperare una sorgente calda che si raffredda e su quale sia il modo migliore di trasformare questo calore recuperato in energia meccanica. Poi lo contestualizzeremo da un punto di vista pratico. I gas combusti partendo da T max si raffreddano in modo isobaro passando calore allo scambiatore. Il raffreddamento comporta una riduzione di entropia. Il caso più desiderabile è che questo raffreddamento prosegua fino a temperatura ambiente Abbiamo una certa quantità di calore che otteniamo raffreddando i fumi della turbina a gas fino a T amb e questa chiamiamo calore disponibile. Questo è uguale nel piano T- pore. Ci sono però delle perdite termiche, oltre il raffreddamento non può essere fatto fino a temperatura ambiente. Il calore che entra sarà quindi inferiore a Qdisp. Adisp7 Aid Il ciclo a recupero avrà a sua volta un suo rendimento con il quale converte questo calo e poi elettrica. è fondamentale che venga recuperato più calore possibile e che questo venga poi convertito in maniera il più efficiente possibile. Vengono introdotti due parametri che devono essere massimizzati nel ciclo a recupero. fattoredi recupero Uno è il fattore di recupero che è il rapporto il calore in ingresso nel ciclo e il Qdisp. Questo fattore deve essere il più vicino possibile a uno deveessere il alto possibile ica del ciclo che recupera questo calore fratto il calore che entra. Entrambi questi due parametri vanno massimizzati per cui va massimizzato un altro parametro che chiameremo rendimento di recupero. Questo è dato dal prodotto tra i due parametri precedenti Gordie laido Adesso ci chiediamo qual è il ciclo termodinamico più indicato per massimizzare il rendimento di recupero. Il più indicato è quello che recupera meglio il calore e che lo converte meglio in energia. Devo avere un ciclo che parte da temperatura ambiente e arriva a Tmax seguendo perfettamente il profilo della curva precedente. Lo scambio termico va fatto in questo modo così io raffredda tutti i fumi fino a temperatura ambiente e vado ad avere uguaglianza tra il calore disponibile e il calore in ingresso. ambiente. Il ciclo in questo modo non crea nessuna irreversibilità perché sia nello scambio termico che non ho alcuna perdita. Questo si chiama ciclo triangolare. Il rendimento di questo ciclo si può anche scrivere.  Nell'esempio con tombersec e Tmax 5000 art È ottengo 2 µ au ma a aaaa una payda tre tomb ma Questo è un ciclo puramente ideale e nella pratica non ha nessuna applicazione. Non imparate neanche la formula In questo caso il fattore di recupero unitario e il rendimento è uguale al rendimento del ciclo triangolare. Questo è il ciclo più desiderabile, cerchiamo adesso nella pratica di realizzarlo. Innanzitutto, serve un fluido di lavoro che ÌN può realizzare questa configurazione, questo non è facile da trovare. conun nonriesco a fare a e neoconeccomi -refrigerazione infinita. cuoco macambiacosa ad esempio un ciclo a vapore saturo. Questo è un ciclo Rankine che possiamo approssimare ad un ciclo di Carnot. Immaginiamo di voler recuperare questo vapore con un ciclo di Carnot che poi è una buona approssimazione di un ciclo Rankine saturo. Dobbiamo innanzitutto scegliere la temperatura massima. Questa la chiamo T evaporazione Una volta scelto queste temperature abbiamo due perdite rispetto al ciclo triangolare di prima. Posso raffreddare i fumi fino alla temperatura Te, perdo tutto un tratto di Quando recupero questo calore da T max fino a Te lo conferisco al ciclo di Carnot di fatto anche qui non ho la situazione ideale è che avevo nel ciclo triangolare perché in quel caso vi era una differenza infinitesima di temperatura nello scambio termico. In questo caso ho una temperatura costante con una temperatura massima che si raffredda. Anche questo mi determina una perdita che chiamo delta Sa. e queste due fonti di perdite dipendono da dove posiziono la Te. Potrei minimizzare il delta S a o il delta S b Ha 2 forme di perdite tutto ciò che a x il free se fino ten buttovia Teoronazione sta sotto ten e ten più 2 scambiotermico tra fumimoltocaldi At è positivo bassa Uno scambiotermico con elevati costruttivo se riduce l'area di scomb dal pt di vista della termodinamico genera ma dal ptdi vistairreversibilità elevata entropia x Chiama questi due casi estremi caso uno a caso due. Caso 1 = Posizionare la temperatura di evaporazione alla temperatura massima Nel caso uno il rendimento di recupero è uguale a zero poiché il fattore di recupero è uguale a zero. Non ho recuperato nulla. sarebbeautomavienemoltiplicato zero per a acido greca rado a Il ciclo è efficiente ma non è alimentato. Nel caso due il fattore di recupero è uguale a uno perché ho recuperato tutto il calore ma il rendimento è sempre nullo perché il ciclo di Carnot avviene a temperature coincidentiInveceFree o o massima. come varia Era in funzione dellaT IEEE Col ciclo di Carnot si dimostra che la T ottimale è uguale a: Tambetmin In questo caso il rendimento del ciclo è pari a: Quello sopra è il calore che il recupero mentre quello sotto è il calore disponibile. Poi lo moltiplico per il rendimento di Carnot. Vediamo questo ciclo quanto peggio è rispetto al ciclo ideale. Andiamo a confrontare i rendimenti dei due cicli assegnando T Max (500°C) e T ambiente (15°C). Te ottenere198E Rispetto a quello che otterrei con un ciclo triangolare con il ciclo di Carnot ho un rendimento inferiore e creo una o che desiderabile. Ottengo la metà rispetto al ciclo temporale e quindi questo sistema non è certamente valido Fingere Il ciclo di Carnot rappresenta il ciclo a vapore tradizionale in un certo senso e non ottengo un bel lavoro. non è vantaggiosa. 2 Anziché avere un solo ciclo di Carnot potrei aggiungerti degli altri. Con infiniti cicli di Carnot dal punto di vista concettuale otterrei il ciclo triangolare. Per ogni delta-t infinitesimo metto un ciclo di Carnot, come se dovessi costruire cicli Rankine con temperatura che continua a salire. Questo non è possibile nella realtà ma ci suggerisce in che direzione muoverci  mettere prima anche la in pressione diciap e del ciclo a vapore a recupero non va aumentata ma va La termodinamica dice due cose: la prima è che la temperatura ottimizzata; nelle centrali a vapore tendo ad avere temperature e pressioni massimizzate, non ottimizzate. La seconda cosa è che se faccio un solo livello quindi un solo ciclo a vapore con una sola temperatura di evaporazione sono lontano dalla condizione ottimale di equilibrio termico. Servono evaporazioni multiple per creare questa serie infinita di cicli. quindi massimo due o tre cicli di Carnot. Vediamo a livello impiantistico come si realizzano queste soluzioni. lo combinato. modo di realizzare la configurazione multi-ciclo di Carnot. realizzato questo ciclo. di pressione 100MW È Ii Iii ciaoavara surriscaldamento dipressione nie Non si usano4116 livelli x iltrade off nemetto et 2 ma a 213livelli costiimpianto L'etimo si attesta il costoin e di investimento Ii Le soluzioni impiantistiche reali hanno due o tre livelli di evaporazione. I cicli a tre livelli si utilizzano per impianti più In grandi e hanno rendimento più alti. Per impianti più piccoli sotto i 100 MW si utilizzano due livelli. Il componente più grosso è la caldaia recupero. La turbina a gas non la vediamo ma la freccia entrante nella catena recupero rappresenta i fumi. Questo è un ciclo combinato anche se vediamo solo calda di recupero, pompa, caldaia, turbina e condensatore. 10Liv 617bar ma sa Lp a dir iodico bar a sono sihaun sobanco di tubicheporta la tana socio di pressione che esce compressa dalla pompa e viene fatta sempre attraverso i fumi nella sezione più bassa temperatura dei fumi. La sezione di uscita e dove fumi sono più freddi. La configurazione di questa caldaia è controcorrente. componente chiamato dea, vuol dire degasatore. I Dea, oltre a fare il degasaggio, sono sostanzialmente dei recipienti, che si trovano a pressioni diverse perché abbiamo in questo caso due livelli di pressione la pressione minima e la pressione scende, bar, nella seconda, che prende fluido dal corpo cilindrico, ne abbiamo 120 bar. Ci sono poi gli Eco hp, che sono altri tubi lta pressione. Ho due cicli di Carnot: uno ad alta pressione ed uno a bassa pressione. prende il vapore a 120 bar surriscaldato però du bar ci aggiungo anche il vapore che ho fatto a pressione bassa. condensatore. La configurazione del ciclo a recupero è molto diversa rispetto a quella del ciclo di vapore tradizionale o a quello surriscaldato. Nel caso a due livelli, lo scambio termico è molto vicino alla linea di raffreddamento dei fumi. Con tre livelli, è ancora più complicato ma lo scambio termico è più efficiente. recupero di fumi. Modulo hrsg È la caldaia a recupero. Repowering o ripotenziamento Sono state emesse delle normative che imponevano a questi impianti di contenere le emissioni. Molte di queste centrali erano a fine vita utile ed adeguarle per i requisiti di abbattimento degli inquinanti diventava qualcosa al limite della convenienza economica. lto meno economico il funzionamento della centrale in quanto il gas naturale è un combustibile più caro. La soluzione che è stata seguita per tutte queste vecchie centrali è stato fare un ripotenziamento, cioè andare ad aggiungere nel sito della centrale a vapore una turbina a gas in modo da ottenere un ciclo combinato. Aumentava così il centrare e qualcosa di problematico però potenziarne una vecchia no. Interventi possibili: O1. Un intervento molto poco invasivo è quello di andare a sostituire gli scambiatori ad alta pressione. In uscita dal degasatore anziché 1 calore dei fumi e mandiamo tutto nella cartella recupero. Il installiamo la turbina a gas e caldaia il tutto va avanti come prima. Quando poi abbiamo attrezzato per la nuova disposizione mandiamo il vapore. Chiaramente il rendimento in un impianto di no 2 O2.provocare È inoltre possibile senza il fermo impianto aggiungere la turbina a gas e una caldaia a turbina aumentando così il rendimento. O 3. Se invece vogliamo fare un tipo di lavorazione più invasiva provocando anche il fermo impianto possiamo mettere la turbina a gas senza aggiungere a la caldaia a recupero ma usiamo i fumi della turbina per alimentare la caldaia. In questo caso ci guadagniamo sul rendimento perché non abbiamo tutto il prerisc già a 600° C. Questa però è una soluzione già più impegnativa. 0 4. intervento radicale nel senso che disattiviamo la caldaia del nostro impianto vecchio a vapore, il degasatore e tutti gli spillamenti e 3 aggiungiamo una caldaia a recupero è una turbina a gas. Di fatto è come se facessimo un ciclo combinato nuovo nel quale sfruttiamo solo del ciclo a vapore vecchio la turbina a gas, la turbina a vapore E il condensatore oltre la pompa di alimento. COGENERAZIONE termica È la produzione combinata di energia elettrica e calore nello stesso impianto, dove il calore generato è un effetto utile del processo. È importante specificare questa cosa perché in generale, tutti gli impianti che producono energia elettrica bruciando un combustibile, sono per natura cogenerativi (producono energia elettrica e termica e devono scaricare calore): servirebbealmeno so x utilizzarlo ascaldare l'aquasanitario x doccia Sembra dunque un ciclo cogenerativo, ma non sempre lo è, lo è solo quando il calore in uscita è un effetto utile, ovvero a una temperatura adeguata a un suo utilizzo (per esempio, se scarico calore a temperatura ambiente, il suo potere exergetico è quasi nullo, mi servirebbe calore a temperatura elevata). Non è cogenerativo un ciclo Rankine, che va a La cogenerazione evolve in un altro concetto, detto trigenerazione, quando, oltre al calore, si produce anche energia frigorifera. Al cogeneratore bisogna quindi aggiungere un sistema frigorifero. Da un punto di vista operativo e costruttivo, la cogenerazione ha due configurazioni. La prima viene chiamata i  e scarica il calore utile cogenerativo; si effettua un recupero termico. Questa è la modalità più diffusa di cogenerazione, e si posizionato sopra. il colore è il sotto prodotto qui recuperi termico dei processi industriali. In questo caso, si identifica con bottoming. termico qui recupero il comb elevate e quindi un contenuto energetico importante che può essere recuperato. I fumi vengono catturati e Il calore di scarto può essere utilizzato ad esempio in un ciclo Rankine per fare del vapore e quindi tirar fuori del lavoro utile. La differenza tra Bottoming e Topping è la posizione del motore che produce lavoro. La più utilizzata è la Topping, anche se la Bottoming si sta affermando e ha la sua valenza perché consente di recuperare una grande quantità di calore che altrimenti sarebbe scartato. Ci chiediamo in quali condizioni sia opportuno fare cogenerazione. Soprattutto quando si è in presenza di un impianto, dato che i bilanci di energia devono tornare, in generale, se si aumenta la quantità di calore da recuperare, si riduce il lavoro meccanico o elettrico. Supponiamo di avere un ciclo Rankine: Da una parte tiriamo fuori il lavoro. Se siamo in un impianto a vapore tradizionale vogliamo condensare ad una temperatura più bassa possibile (utilizzando una sorgente per condensare). Se si condensa a 35°C, non si fa cogenerazione (temperatura troppo bassa). Possiamo rendere questo impianto con generativo. Invece di avere vapore a relettrica 35° vogliamo vapore a 100°. elettrica che avrei prodotto. Ci chiediamo se convenga o non convenga cogenerare rinunciando a produrre energia elettrica per recuperare un calore completamente in calore ma non viceversa) che economico (un kilowattora di energia elettrica costa di più di 1 kWh di calore). Bisogna valutare se la cogenerazione conviene economicamente. a dà l convenienza economica. Per il legislatore invece bisogna determinare se la cogenerazione risulta vantaggiosa da un punto di vista globale per la cogenerazione. Si ipotizzano due scenari: cogenerazione e produzione separata e si valutano i consumi energetici; si sceglie la configurazione che garantisce una riduzione dei consumi di energia.  à 2 termico 2 caldaia Fuelcogeneratore In entrambi questi due scenari devo garantire una certa energia elettrica ed un certo calore. Nello scenario cogenerativo lo faccio con un impianto cogenerazione. Da questo tiro fuori energia elettrica e lavoro utilizzando un combustibile che brucio a quale a sua volta è prodotta da una centrale elettrica. La centrale elettrica consuma la sua quantità di combustibile E la quantità di combustibile che mi serve per produrre la mia energia elettrica la indico con Fel Fel= El/ rendimento Il calore viene fatto attraverso una caldaia, anche in questa utilizza un combustibile Fq= Q/ rendimento Nei tre scenari abbiamo gli stessi effetti utili, cioè produco la stessa quantità di energia elettrica e calore. Il criterio per cui la cogenerazione viene preferita alla produzione separata è che ci sia un risparmio energetico a parità di effetti utili: Fcog < Fel + Fq il legislatore da uncontributoeconomico Il legislatore ha determinato un indice di risparmio energetico: Rappresenta una percentuale di incremento di risparmio energetico rispetto alla produzione separata. Tenendo conto dei rendimenti della produzione separata, quindi della caldaia e della centrale elettrica posso scrivere: 70 Quando questo valore è maggiore di zero conviene fare cogenerazione perché sto risparmiando energia primaria. Il legislatore decide quindi di concedere degli incentivi per la cogenerazione. Questa formula ha un margine di incertezza dato proprio dai rendimenti di riferimento che vado ad utilizzare. Il certa, non sappiamo da dove la prendiamo, ci attacchiamo solo alla rete. Possiamo utilizzare come riferimento la centrale più efficiente o la centrale media. Lo stesso ragionamento vale per le caldaie. È importante però specificare quale nelle condizioni di erogazione degli incentivi. Il rendimento varia anche a seconda del combustibile che si brucia. Incentivi alla cogenerazione vedislide (non vuole che ci ricordiamo le vecchie delibere) Il concetto di cogenerazione risale ad almeno due secoli quando furono realizzati i primi impianti termoelettrici. In Italia dal 16 marzo 1999.  ettiva dava a questo ente il mandato di definire a quali condizioni la produzione combinata di energia elettrica e calore può chiamarsi cogenerazione e godere dei relativi benefici di legge. Dopo qualche anno (2002) ha emanato una legge che stabilisce che un impianto produce con caratteristiche di cogenerazione quando alcune grandezze caratteristiche del proprio funzionamento, quali il suo Indice di Risparmio di Energia (IRE) ed il suo Limite Termico (LT), sono rispettivamente maggiori di due valori limite fissati nella deliberazione stessa. I rendimenti venivano stabiliti dalla stessa normativa in base alla tipologia di impianto cogenerativo e combustibile che andavo ad usare. alla direttiva del 2002. no al 2010 in cui si poteva andare avanti con la normativa del 2002, con i rendimenti che venivano tecnologie miglioravano e misuravano un rendimento sempre più corretto). I decreti di riferimento adesso sono i due decreti del 2011 dove si fa riferimento alle normative europee e ridefiniscono quando la cogenerazione ha alto rendimento e si può incentivare. Prima ci si basava sulla distinzione di combustibile. DM 4 agosto 2011 e DM 5 settembre 2011, che integra il Decreto Legislativo 8 febbraio 2007, n. 20 stabilisce le condizioni che definiscono la cogenerazione ad alto rendimento: PES>0% nei casi di unità di piccola cogenerazione (80% per sezioni con turbina a gas a ciclo combinato con recupero di calore e per le sezioni con turbina di condensazione a estrazione di vapore; > 75% per tutte le altre tipologie di cogenerazione. rendimento di primo principio. Si ha un certo risparmio energetico rispetto alla produzione separata, il cui risparmio energetico viene distinto in impianti piccoli ed impianti grandi;  Il rendimento di primo principio superi una certa soglia; ciò vuol dire che devo avere una certa quantità di calore prodotto. Benefici previsti dalla con generazione sono: priorità di dispacciamento: se ho un impianto cogenerativo che produce energia elettrica, e ho maggiore energia elettrica di quella che serve a livello industriale, quella che produco in più la posso vendere in rete e ho una priorità di dispacciamento; esonero rispetto agli oneri di rete per gli autoconsumi; zi energetici o distributori di energia elettrica gas, i titoli di efficienza energetica (o certificati bianchi) erogati sulla base del risparmio di e viene acquistato dalle aziende che sono obbligate ad avere un certo risparmio energetico. altri vantaggi fiscali. NON STUDIATE LE NORMATIVE. Basta ricordare le ultime e il senso del discorso. Il parametro più logico e appropriato per definire i cogenerazione potrebbe non essere ancora vantaggiosa. In generale quando abbiamo un combustibile e attraverso la cogenerazione produciamo energia e calore; un altro parametro importante è il rendimento elettrico del concentratore. Questo si riferisce solo alla produzione elettrica. Ugualmente esiste il rendimento termico del cogeneratore. dei primi due: Ai puristi della termodinamica il rendimento di primo principio non piace perché mette sullo stesso piano energia elettrica cosa). gia To rendimento cakot Questo è più coerente perché vado a pesare energie che hanno la stessa qualità. In realtà neanche questo va bene perché, moltiplicando Q per il fattore, vado a penalizzare molto il rendimento, soprattutto quanto più Tx è vicina alla temperatura ambiente. Il parametro che forse ha più senso è il risparmio energetico rispetto alla produzione separata, che viene poi utilizzata dal Tecnologie vedi slide p 62 x vedi anche bottoming Topping e Vediamo tecnologicamente come sono questi impianti cogenerativi. La cogenerazione più diffusa è la tecnologia di tipo Topping. Per questa, gli impianti di cogenerazione vengono classificati sulla scala base della scala (dimensione - Mw e Kw): impianti di grande scala: turbine a gas, turbine a vapore, cicli combinati, cicli combinati da repowering; 5MW impianti a piccola scala: motori a combustione interna, microturbine a gas; livellolocale tecnologie innovative per la piccola scala: celle a combustibile, motori Stirling, termofotovoltaico. Grande scala e piccola scala solo tecnologie consolidate; ci sono poi tecnologie innovative e non sono ancora così affermate e non hanno raggiunto una maturità tecnologica e di riduzioni di costi tali da renderli disponibili come prima scelta. Rappresentiamo gli impianti in base al rendimento elettrico ed il rendimento termico. Vediamo come possibile modificare questi impianti per far sì che diventino cogenerativi. CASO 1: Schema di impianto di una turbina a gas e caldaia a recupero Questo sistema produce energia elettrica ed energia termica. È molto facile rendere cogenerativo questo impianto in quanto basta aggiungere una caldaia richiedere calore. Si recupera calore Se voglio recuperare una certa quota di calore mando una certa quantità dei fumi nella turbina e ottengo una certa quantità di energia termica. Se mi serve più calore posso aggiungere un post-combustore bruciando ulteriore combustibile. Le caratteristiche sono: Taglie commercialmente disponibili: 1 MW 100 MW Rendimento elettrico: 23% - 35% (dipende dalla taglia). Rapporto fra energia termica recuperata ed elettrica superiori a 2,5 con post-combustione: 2,5 - 2, a seconda - combustore. CASO 2: Turbina a vapore. Si può facilmente rendere con generativa. Il caso in figura è una turbina a vapore incontro pressione. Notiamo lo schema del ciclo Rankine, ma manca il condensatore perché è ritorna. Si definisce contro pressione perché di fatto è un ciclo Rankine tradizionale, solo che anziché andare a temperatura ambiente si ferma a temperatura più alta. È Grafico è elevato (>85%). Dipende dal contesto; questa applicazione è comoda quando si ha una costante richiesta di carico non mi assorbe calore non posso condensare e devo spegnere termico. Il riscaldamento stagionale di un edificio o una rete di teleriscaldamento sono una rete stagionale. Un tipo di impianto del genere non è compatibile con i loro scopi. CASO 3: Turbina a vapore a derivazione e condensazione Se voglio fare cogenerazione, per esempio, con una rete di teleriscaldamento che ha una richiesta stagionale, quindi sempre con un impianto a vapore, devo usare La differenza rispetto al ciclo precedente è che abbiamo un condensatore ed una turbina di alta e bassa pressione. Possa regolare il funzionamento a seconda del carico termico disponibile. Nella stagione invernale utilizzo solo la prima turbina e riduco la portata della bassa pressione perché il grosso della portata lo uso per recuperare calore e indirizzo verso la rete di teleriscaldamento. andare a spillare per il recupero termico. bassa e la posso regolare, anche espandendo il calore, con un funzionamento completamente elettrico. Il vantaggio di questa turbina a derivazione e condensazione è quello di essere regolabile. È il sistema che si trova nel termovalorizzatore di Brescia. CASO 4: Ciclo combinato cogenerativo Anche un ciclo combinato ha un funzionamento cogenerativo. È sostanzialmente un ciclo Rankine. La differenza è data dalla presenza del collettore. Il ciclo a vapore sottostante ha la filosofia del ciclo derivazione di condensazione. Dal collettore si può andare a spillare una certa quantità di vapore che porto nel collettore quando mi serve e lo da del bisogno apro la valvola e il collettore e prendo il vapore che serve. In modalità puramente elettrico questo impianto fa 33 MW, in modalità cogenerativa produco 26 MW, ma realizzo quasi 35 MW termici. A seconda delle esigenze di energia elettrica o calore vado a individuare la soluzione che meglio si presta alle mie esigenze. Generazione distribuita lunga rete di distribuzione) ed è molto diffuso ancora oggi. Il modello che si sta affermando negli ultimi anni e quello della generazione distribuita. La differenza tra generazione centralizzata e distribuita è che in quella distribuita vado a realizzare piccoli impianti localizzati vicino alle utenze. Ad fotovoltaici. Il concetto di generazione distribuita si sposa bene con il concetto di cogenerazione. I cogeneratori più si scende con la taglia e più diventano costosi. La soluzione di gran lunga più adottata per la cogenerazione di energia di taglie inferiori al megawatt è il motore a combustione interna. Infatti, il motore siamo al megawatt e più diventano piccoli i costi del motore aumentano. E meno sono i kilowatt richiesti e più il costo del cogeneratore diventa improponibile. Vantaggi: Costi relativamente contenuti Elevata affidabilità Buoni rendimenti Elevata flessibilità Svantaggi: Costi di manutenzione elevati Emissioni specifiche e Rumorosità e vibrazioni Ma come funziona il motore a combustione interna? recupera calore. Si recupera calore attraverso un essere raffreddato da un circuito. Il calore recuperato va ulteriormente nella caldaia a recupero. Di fatto è un sistema consolidato. Il motore ha un rendimento elettrico del 37%. Avrebbe senso avere uno schema con generativo di questo tipo a livello di appartamento o quartiere. La micro-cogenerazione domestica, ovvero avere un motore di 1 o 5 kW, risulta improponibile per i costi economici del motore. È comunque una tecnologia che viene realizzata e promossa ma non è diffusa su larga scala. In alternativa ai motori a combustione interna per la taglia media, ci sono le microturbine a gas. È sempre un ciclo Joule- Brayton ma con turbine più piccole. Sono macchine monostadio e hanno cicli gas rigenerativi. Hanno efficienze confrontabili con quella dei motori a combustione interna. Negli ultimi anni si sono proposte diverse aziende che hanno promosso diverse microturbine. Vogliono competere o sostituire con i motori a combustione interna. inquinanti più semplice perché lavorano a temperature più basse. Lo schema è abbastanza semplice.