3 - Cogenerazione
“tecnologie disponibili, aspetti ambientali e
gestionali”
Enrico Malusardi
Professore a contratto, Politecnico di Milano
PERCHE’ LA COGENERAZIONE?
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È la produzione combinata di calore e di energia elettrica
•
Può essere applicata in uno stabilimento industriale caratterizzato da
una importante e continua (per quanto possibile) domanda di calore
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Permette un risparmio di combustibile consentendo:
9 Minori costi variabili
9 Minore inquinamento atmosferico e termico (a livello globale)
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Grazie alla disponibilità di una produzione interna, può assicurare una
maggiore continuità di alimentazione elettrica ad alcuni carichi dello
stabilimento (utenze preferenziali)
CENTRALI TERMOELETTRICHE DI STABILIMENTO
OBIETTIVI (dal punto di vista tecnico):
¾ alimentazione carichi preferenziali
¾ produzione combinata calore-energia elettrica (risparmio combustibile)
¾ utilizzazione eventuali combustibili di risulta
¾ garantire una conveniente affidabilità
FUNZIONI OBIETTIVO:
¾ minimizzare i costi totali (di esercizio, fissi, ammortamenti ed oneri finanziari)
del servizio vapore ed energia elettrica (autoprodotta, acquistata /venduta)
¾ rispetto dei vincoli esterni (produzione interna ee tale da garantire in ogni
condizione l’alimentazione dei carichi preferenziali, dimensionamento
sistema tale da garantire lo smaltimento dei combustibili di risulta, etc)
LA DOMANDA DI CALORE
Considerato che la produzione di calore risulta centralizzata, occorre:
• Scegliere un fluido vettore idoneo (vapore, acqua surriscaldata)
• Prevedere una rete di distribuzione (tubazioni aeree od interrate, sistemi di
compensazione delle dilatazioni, sistemi di misura, sistemi di regolazione
all’utenza, ecc)
• Scegliere un condizionamento chimico del fluido vettore compatibile con le
caratteristiche della produzione dello stabilimento (ad esempio industria
alimentare)
• Decidere cosa fare del fluido vettore dopo la cessione del calore:
9L’acqua surriscaldata viene solitamente rinviata alla centrale per il
riutilizzo (la rete deve essere a doppio tubo)
9La condensa del vapore potrebbe essere rinviata alla centrale oppure
riutilizzata ad esempio come acqua di processo evitando così
problemi nei generatori di vapore in caso di suo inquinamento
CALORE RICHIESTO DALLE UTENZE
CARATTERISTICHE OTTIMALI DEL FLUIDO DI TRASPORTO:
alto calore specifico (basse portate)
temperatura il più possibile costante
possibilità di regolazione prelievo mantenendo costante la temperatura
FLUIDI PRATICAMENTE DISPONIBILI:
acqua surriscaldata
vapore
PUNTI CRITICI ACQUA SURRISCALDATA:
alte pressioni (superiori a quella di vaporizzazione a pari temperatura)
temperatura variabile
necessità di doppio tubo (andata e ritorno)
difficoltà di regolazione (stazioni di pompaggio)
investimenti per la stazione di preparazione
PUNTI CRITICI VAPORE:
problemi avviamento sistema (corrosioni)
gestione rete distribuzione (condense e sistemi scarico condense)
IL DIMENSIONAMENTO DEL SISTEMA 1/2
TECNOLOGIE ADOTTATE:
9 Generatori di vapore e turbine a contropressione o a derivazione e
condensazione (utilizzata fino alla fine degli anni ’70)
9 Turbine a gas con generatori di vapore a recupero, eventualmente
con combustione supplementare, e turbine a vapore a derivazione e
condensazione nel caso di potenze elettriche installate > 10 MW circa
(utilizzata dai primi anni ’90)
9 Motori a gas con recupero calore allo scarico e dal circuito di
raffreddamento: alta efficienza in assetto solo elettrico, valido per
taglie unitaria < 15 – 20 MW; il livello termico del calore di recupero è
in genere piuttosto basso, soprattutto dal recupero del calore dal
sistema di raffreddamento
COMBUSTIBILI:
9 Gas naturale
9 Olio combustibile: utilizzabile esclusivamente in caldaie tradizionali,
viene normalmente sostituito con gas naturale al fine di contenere le
emissioni e di evitare problemi di carattere logistico (costi di
stoccaggio e di manutenzione).
9 Combustibili di recupero non commerciabili (gas di raffineria, gas
siderurgici, residui liquidi, ecc)
IL DIMENSIONAMENTO DEL SISTEMA 2/2
PARAMETRI PER IL DIMENSIONAMENTO:
9 Nuova unità produttiva:
¾ Disponibilità delle più affidabili previsioni circa le domande di
picco di calore e potenza elettrica
¾ Disponibilità di curve riportanti il profilo previsionale, su base da
definire, delle domande calore ed energia elettrica
¾ Necessità di continuità nell’alimentazione
9 Unità produttiva esistente:
¾ Disponibilità dei consuntivi circa le domande di picco di calore e
potenza elettrica
¾ Disponibilità di curve riportanti il profilo, su base oraria, delle
domande calore ed energia elettrica
¾ Necessità di continuità nell’alimentazione
¾ Disponibilità delle previsioni circa cambiamenti di assetti
produttivi impattanti sulla domanda calore ed energia elettrica
L’AFFIDABILITA’ DI ESERCIZIO
L’alimentazione termica ed elettrica all’utenza deve essere assicurata
per tutto il periodo di marcia dello stabilimento, al limite per 8760 h/y
Devono quindi essere previste idonee riserve per garantire la continuità
del servizio durante le fermate programmate e gli eventuali disservizi
della centrale di produzione
Relativamente all’energia elettrica, la riserva e il soccorso sono in genere
forniti dalla rete elettrica esterna, che assicura nell’esercizio normale i
servizi di rete (regolazione di frequenza, tensione, ecc)
Relativamente al calore, occorre prevedere l’installazione di idonee unità
di riserva, che vanno gestite in modo da garantire una pronta erogazione
del calore (generatori di vapore ausiliari in riserva calda, al limite in
marcia al carico minimo, ecc)
ONERI DI INVESTIMENTO
L’investimento specifico (€/kW) è nettamente superiore a quello di una
centrale per la sola produzione di energia elettrica per i seguenti motivi:
9 Ridotta taglia di impianto Æ le economie di scala non trovano
applicazione
9 Necessità di prevedere anche gli equipaggiamenti necessari per il
servizio calore
9 Necessità di unità di riserva per assicurare la continuità
dell’erogazione del calore
Non va però dimenticato che, nel caso della costruzione di un nuovo
stabilimento, esiste sempre la necessità di una “soluzione fatale” (la più
economica possibile) che in genere considera l’autoproduzione del calore
con acquisto di tutta l’energia elettrica dall’esterno.
I vantaggi derivanti dalla cogenerazione potrebbero, in questo caso,
essere valutati a fronte del solo incremento di investimento rispetto alla
“soluzione fatale”.
CHECK LIST PER L’INVESTIMENTO (1/2)
COMBUSTIBILE
. Pressione gas naturale
. Ubicazione punto di consegna
. Percorso gasdotto all’interno dello stabilimento
. Ubicazione eventuale stazione di compressione
. Contributo di allacciamento
CENTRALE TERMOELETTRICA
. Dimensione area
. Caratteristiche terreno (palificazioni, fondazioni)
. Disponibilità servizi (aria compressa, azoto, antincendio, etc)
. Disponibilità acqua di raffreddamento
torri evaporative (reintegro di circuito??)
torri a secco (circuito chiuso)
circuito aperto
. Necessità di riserva vapore
. Stoccaggi per combustibili di emergenza
. Parti a scorta specifiche
. Politiche di manutenzione
. Disponibilità di personale per l’esercizio
CHECK LIST PER L’INVESTIMENTO (2/2)
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9
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STAZIONE ELETTRICA
Dimensione area
Distanza dalla CTE
Sistema di collegamento alla CTE (cavi MT/AT etc)
Criteri di interconnessione alla rete esterna
Contributo di allacciamento
Esiste un elettrodotto nelle vicinanze (a quale livello di tensione?)
PROBLEMI SPECIFICI
Preparazione aree (demolizioni, bonifiche, etc)
Interconnessioni con la rete calore dello stabilimento
Esiste acqua demineralizzata in quantità/qualità sufficiente?
Interventi sulla rete elettrica di stabilimento (nuove correnti di corto
circuito, etc)
• Impatto ambientale (particolari regolamenti locali, rumore al muro di
cinta etc)
ONERI DI ESERCIZIO
• Rapporti con la rete elettrica esterna
9 Valorizzazione del servizio di integrazione, riserva e soccorso
(impegno di potenza, prezzo del kWh prelevato)
9 Valorizzazione dei servizi di rete (regolazione della frequenza,
tensione, etc)
9 Valorizzazione del kWh in eccesso rispetto ai fabbisogni e ceduto
alla rete (la cessione può essere programmata?)
• Rapporti con la rete gas naturale
9 Definizione della tariffa tenendo in considerazione l’elevato fattore di
utilizzazione
9 Eventuale necessità di garanzie di continuità, nel caso non sia
disponibile un combustibile di back-up
LA VALORIZZAZIONE DEL CALORE E DELL’ENERGIA ELETTRICA
•
Il calore e l’energia elettrica vengono generate in maniera congiunta
ed è molto difficile determinare la ripartizione dei costi, sia variabili che
fissi, tra i due prodotti
•
D’altra parte questa necessità è molto sentita: diverse politiche di
valorizzazione possono generare diverse scelte di investimento, ad
esempio in una centrale frigorifera l’installazione di una macchina ad
assorbimento piuttosto che una macchina centrifuga
•
Ad oggi sono stati adottati i più svariati criteri, in dipendenza delle più
varie situazioni industriali. I criteri più comuni sono:
9 Entalpico, che addebita all’energia elettrica il consumo di
combustibile incrementale rispetto alla “soluzione fatale”. PUO’
ESSERE UTILIZZATO NELLA VALUTAZIONE DI DIVERSE
ALTERNATIVE PER UN IMPIANTO DI NUOVA COSTRUZIONE
9 Energetico, che sottrae dal costo variabile totale la valorizzazione
del prodotto che ha un’altra possibile fonte di approvvigionamento
(l’energia elettrica prelevata dalla rete esterna). PUO’ ESSERE
UTILIZZATO PER LA VALUTAZIONE DI DIVERSI ASSETTI
PRODUTTIVI PER IMPIANTI ESISTENTI
QUALE FUTURO PER LA COGENERAZIONE INDUSTRIALE
Gli ostacoli:
• Investimenti notevoli in un settore estraneo al core business dello
stabilimento
• Tempi di ritorno piuttosto lunghi, spesso estranei alla normale ottica di
molti mercati
• Rischi di non mantenimento nel tempo della richiesta di calore
• Aspettative, più o meno fondate, di una riduzione del prezzo di acquisto
dell’energia elettrica
Possibili interventi:
• Valorizzazione dei servizi di rete e dell’energia elettrica eccedente i
fabbisogni e ceduta alla rete
• Valorizzazione delle esternalità (risparmio di combustibile e
conseguente minore produzione di inquinanti)
