Il documento analizza la cogenerazione, evidenziando le esperienze del laboratorio LEAP di Piacenza, le tecnologie utilizzate e i casi studio in Emilia Romagna. Vengono trattati aspetti normativi, statistiche riguardanti l'energia prodotta e prospettive di implementazione negli impianti industriali. Infine, si presentano vari progetti di cogenerazione che sfruttano biomasse, olio vegetale e fonti rinnovabili in contesti differenti.

1. Cogenerazione: applicazioni di grande e
piccola taglia.
Le esperienze del Laboratorio Energia &
Ambiente Piacenza (LEAP)
Ing. Manuele Gatti
LABMEETING
Ravenna 2014 - Fare i conti con l’ambiente
Mercoledì 21 maggio 2014

2. Sommario
• LEAP: chi siamo e attività
• Cogenerazione: principi, tecnologie, quadro normativo, statistiche
• Casi di studio LEAP sulla cogenerazione
1. Potenziale Emilia Romagna
2. Centrale biomasse Borgonovo
3. Castello di Zena
4. Cogenerazione da olio vegetale
5. Progetto CUBIS
• Laboratorio di microcogenerazione
• Software DCOGEN
• Conclusioni
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
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3. Il Consorzio LEAP
LEAP, Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza, è un consorzio nato nel
2005 su iniziativa della sede piacentina del Politecnico di Milano.
È partecipato da:
• Polo Territoriale di Piacenza del Politecnico
• 4 Dipartimenti del Politecnico di Miano
• Comune di Piacenza
• Provincia di Piacenza
• Fondazione di Piacenza e Vigevano
• A2A S.p.A.
• Iren Ambiente S.p.A.
• Unical AG S.p.A.
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
1. Dip. di Energia
2. Dip. di Chimica, Materiali
e Ing. Chimica
3. Dip. di Elettronica,
Informazione e
Bioingegneria (DEIB)
4. Dip. di Ingegneria Civile e
Ambientale (DICA)
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4. Le attività del LEAP
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Ricerca in 6 settori:
1.materia ed energia da rifiuti, residui e biomasse;
2.generazione di energia termica ad alta efficienza;
3.termoidraulica per impianti nucleari innovativi;
4.tecnologie per lo sfruttamento dei combustibili fossili e cattura della CO2;
5.energie rinnovabili ed efficienza energetica;
6.emissioni gassose, polveri fini e qualità dell’aria.
Consulenza e servizi:
1.analisi modellistiche e simulazioni di impianti energetici;
2.prove su impianti: misure di temperatura in camere combustione, misurazione di
particolato fine e nano particelle in atmosfera e in flussi convogliati, misurazione
di concentrazioni di inquinanti in flussi gassosi.
Laboratori sperimentali:
1. Heat_Box: valutazione delle prestazioni di caldaie con potenza fino a 100 kW;
2. Wind_Box: prove fluidodinamiche su condotti da fumo per generatori di calore di
piccola e media taglia;
3. CO2_Box: determinazione delle proprietà termodinamiche di miscele a base di CO2
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5. Attività sperimentali del LEAP
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Prove su impianti:
Laboratori sperimentali: LEAP è certificato
UNI EN ISO 9001:2008
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6. Cogenerazione: il principio
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Fonte: www.cogen-challenge.org
COGENERAZIONE = ELETTRICITA’ + CALORE
Ogni ciclo termodinamico che converte calore (Q) in elettricità (E), per il Secondo
Principio della Termodinamica deve scaricare in ambiente una parte del calore
introdotto nel ciclo. L’idea base della cogenerazione è recuperare in parte o
totalmente questo calore, originariamente di “scarto”, come effetto utile. In questo
modo E e Q sono generati simultaneamente all’interno di un unico impianto
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7. Cogenerazione: configurazioni possibili
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Fonte: www.cogen-challenge.org
Altre definizioni:
•Piccola cogenerazione: P<1MWel
•Microcogenerazione: P<50kWel
•Trigenerazione: produzione simultanea di energia elettrica, calore e freddo
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8. Cogenerazione: tecnologie
a) Ciclo combinato in assetto cogenerativo
b) Ciclo a vapore a contropressione
c) Ciclo a vapore a condensazione con estrazione di vapore
d) Turbina a gas con recupero di calore
e) Motore a combustione interna
f) Microturbine a gas
g) Motori Stirling
h) Fuel Cells (Celle a combustibile)
i) Motori a vapore
j) ORC: Cicli Rankine a fluido organico
k) Ogni altro tipo di tecnologia o combinazione di tecnologie che
producano simultaneamente, in un unico processo, energia
termica ed elettrica e/o energia meccanica (in output)
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
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9. Cogenerazione: esempi di tecnologie
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP 9
Motore GE Jenbacher J616 GS a
biogas, potenza 2 MWel
Package Ecowill con motore a
gas naturale, potenza 1 kWel
Package Whispergen con motore
Stirling, potenza 1,2 kWel
Microturbine a gas Capstone,
potenza 30 kWel
Modulo PEM Ballard Power System da
250 kWel – Bewag Treptow, Berlino
Macchina frigorifera ad
assorbimento Century da 70 kWfr
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10. Cogenerazione: quadro normativo
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
•Dlgs 79/99: definizione esplicita del concetto di cogenerazione: "Cogenerazione è la produzione
combinata di energia elettrica e calore alle condizioni definite dall'Autorità per l'energia elettrica e il gas,
che garantiscano un significativo risparmio di energia rispetto alle produzioni separate."
•Delibera AEEG 42/02: un impianto di produzione combinata di energia Elettrica e Termica (Calore) è
definito COGENERATIVO solo se soddisfa due requisiti qualitativi
I rendimenti elettrici di riferimento sono differenziati in base a combustibile e taglia dell’impianto.
•Direttiva 2004/8/CE del Parlamento europeo: introduce il concetto di Cogenerazione ad Alto
Rendimento (CAR) se viene soddisfatto il requisito sull’indice PES (concettualmente coincidente con
l’IRE)
I rendimenti elettrici di riferimento sono differenziati in base a combustibile e all’anno di entrata in
esercizio dell’impianto.
•Dlgs 20/07: recepisce la direttiva UE 2004/8/CE stabilendo i criteri della delibera AEEG 42/02. In
attesa dei decreti attuativi, parifica la CAR alla cogenerazione effettuata nel rispetto delle specifiche
tecniche definite dall'AEEG nel 2002 con validità fino al 31.12.2010.
Le metodologie applicative previste dal Dlgs 20/2007 sono contenute nel Dm 4 agosto 2011, entrato in
vigore il 19 settembre 2011.
IRE ≥ 10% LT ≥ 15%
PES ≥ 10% PES ≥ 0% se P<1 MWel unità di piccola cogenerazione
Indice Risparmio Energetico Limite Termico
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11. Cogenerazione: quadro normativo
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
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12. CAR: statistiche anno 2010
• Energia elettrica prodotta: 55 TWh, pari a:
• 19% dell’intera produzione elettrica nazionale
• 25% della quota termoelettrica nazionale
• Energia termica prodotta: 41 TWh
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Fonte: GSE - Ing. Dell’Olio, 2012
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13. Caso studio 1:
prospettive in Emilia Romagna
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Prospettive della cogenerazione nella regione Emilia Romagna: contratto di ricerca
commissionato dalla Associazione Industriali della Provincia di Piacenza e svolto in
collaborazione con DIEM - Università di Bologna.
•Particolare attenzione a piccola e media industria;
•Analisi energetica, ambientale, economica;
•11 aziende considerate in 6 province, 5 casi di specie di cui si è valutata la
fattibilità tecnico-economica;
•Per tutti i casi ipotesi di motori a combustione interna;
•Impiego di un software sviluppato internamente al Dipartimento di Energia del
Politecnico.
Richiesta Energetica
PIACENZA REGGIO MODENA
Richiesta Elettrica [kWhel] 4.492.955 1.954.654 19.546.553 14.874.725 13.341.568 16.676.970 5.103.200
Richiesta Termica [kWhth] 25.761.160 2.304.015 21.760.105 1.887.935 3.335.400 41.692.500 35.367.500
Richiesta Frigorifera [kWhfr] - - - 24.607.238 - - -
FARPRO S.p.A. +
HARIPRO
EUROBOX
S.p.A.
Prosciuttificio
Distretto di
Prosciuttifici
TETRAPAK
S.p.A.
PARMA RAVENNA
Cartiera
(attuale)
Cartiera
(Futura)
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14. Caso studio 1:
prospettive in Emilia Romagna
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Caso/provincia Piacenza Reggio Emilia Modena
Nome azienda
EUROBOXS.p.A.
Prosc.singolo
Distretto
TETRAPAK
Cartiera(Attuale)
Cartiera(Futura)
FARPROS.p.A.+
HARIPRO
Costo Investimento [€] 560.700 137.813 3.804.800 1.435.000 1.307.250 1.680.000 1.043.700
Pay Back Time [anni] 5,1 6,0 10,4 5,3 2,5 2,4 5,0
NPV [€] 268.873 51.018 560.521 647.240 1.626.710 2.142.055 509.975
IRR [%] 31,0 28,0 18,0 30,1 53,3 54,1 31,3
NPV/ Costo Inv. [%] 48,0 37,0 14,7 45,1 124,4 127,5 48,9
Parma Ravenna
IRE (PES)
ANALISI ECONOMICA
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15. Caso studio 2:
centrale biomasse Borgonovo
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Studio per la valutazione dell’impatto economico, energetico e ambientale di un impianto
cogenerativo nel comune di Borgonovo Val Tidone (PC):
1.Biomassa locale, reperita in un raggio massimo di 30 km dall’impianto;
2.Combustione su caldaia a griglia con linea di abbattimento fumi;
3.Conversione energetica mediante ciclo Rankine, con due alternative:
• Ciclo a fluido organico, potenza di 645 kWel, caldaia ad olio diatermico
• Ciclo a vapor d’acqua con potenza di 5 MWel
Schema impianto ORC
(Fonte: Turboden S.r.l )
Bacino di approvvigionamento della biomassa
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16. Caso studio 3:
Castello di Zena
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Studio di fattibilità su produzione di energia da fonte rinnovabile e opportunità di risparmio
energetico presso il Castello di Zena:
•Studio inserito nel progetto di recupero del complesso del
castello di Zena, Cadeo (PC);
•Impianti energetici innovativi e a basso impatto ambientale in
contesto di pregio storico e architettonico;
•Due strategie: impianti trigenerativi alimentati a gas naturale
oppure impianti alimentati da fonti rinnovabili (solare, biomasse
e pompe di calore da acqua di falda).
Fonte: www.castellodizena.it
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17. Caso studio 3:
Castello di Zena
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
•Configurazioni cogenerative consentono
IRE>30% e >35% nei casi centralizzati;
•Impianti solari termici sono
economicamente convenienti, quelli
fotovoltaici solo per incentivi;
•Caldaie a biomassa hanno buona
convenienza economica;
•Pompe di calore ad emungimento dell’acqua
di falda sfruttano al meglio l’energia elettrica
per riscaldamanto-raffrescamento.
Fonte: www.castellodizena.it
PARAMETRI ECONOMICI INVESTIMENTI
AA1 AA2 C1 C2 CAA1 CAA2
PBT [anni] 2,81 3,05 2,26 2,69 3,20 3,20
IRR [%] 42 39 51 44 38 38
Configurazioni cogenerative
Configurazioni a fonte rinnovabile
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18. STOCCAGGIO
OLIO VEGETALE
SCAMBIATORE
FUMI/OLIO DIATERMICO
ENERGIA
ELETTRICA
MOTORE ENDOTERMICO
A COMBUSTIONE INTERNA
ARIA
TRATTAMENTO
OLIO VEGETALE
SCAMBIATORE
ACQUA/ACQUA
SCAMBIATORE
ACQUA/ARIA
SCAMBIATORE
OLIO DIATERMICO/ARIA
ARIA
ENERGIA
TERMICA
ENERGIA
TERMICA
ENERGIA
TERMICA
ENERGIA
TERMICA
CAMINO
ESSICCATORE
SEZIONE
ABBATTIMENTO
INQUINANTI
UREA
Caso studio 4:
Cogenerazione da olio vegetale
• Valutazione tecnico-economica relativa al progetto di un impianto cogenerativo
a biomasse liquide basato su motore a combustione interna
•
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
• Combustibile: olio di palma
• Effetti utili:
potenza elettrica = 995 kWe
potenza termica utilizzata per la
produzione del pellet
• Rendimento el. netto = 36 %
Rendimento termico = 33 %
• Attività svolte:
i. Due diligence tecnica
ii. Valutazione redditività
investimento (cash flow,
PayBack Time, IRR)
iii. Iter autorizzativo
Credits: Ingg. Bortoluzzi, Di Bona, Zatti
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19. Caso studio 4:
Cogenerazione da olio vegetale
•Motore di derivazione navale, garantisce una maggiore flessibilità di
funzionamento (varietà di combustibili impiegabili) e interventi di
manutenzione ridotti rispetto agli equivalenti
gruppi di derivazione automobilistica, a fronte
però di costi di investimento superiori.
•Criticità: previsione costo approvvigionamento
olio vegetale nel tempo. Alta volatilità
•
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Ipotesi A - Flussi di cassa attualizzati e cumulati
-4
-2
0
2
4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Anni
M€
Nominali T.A. 2,5% T.A. 5% T.A. 7,5% T.A. 10% T.A. 12,5%
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20. Caso studio 5:
Progetto Cubis
CUBIS = Cogenerazione Urbana da BIomasse e Solare (in collaborazione con
Kyoto Club e Altair).
Obiettivi: Integrare un impianto solare termico con una caldaia a biomassa
per produrre elettricità, calore e raffrescamento da fonti rinnovabili.
Analizzare le prestazioni di differenti configurazioni di un impianto ibrido
biomassa/solare: cogenerazione o trigenerazione.
Fornire indicazioni utili alla progettazione e realizzazione di un impianto
pilota, tuttora in fase di costruzione.
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
IMPIANTO DI
COGENERAZIONEBIOMASSA CALORE
UTILE
PERDITE
ELETTRICITA’
SOLARE
IMPIANTO DI
TRIGENERAZIONEBIOMASSA CALORE
UTILE
PERDITE
ELETTRICITA’
SOLARE
ENERGIA
FRIGORIFERA
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21. Caso studio 5:
Progetto Cubis
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Assetto Cogenerativo Assetto Trigenerativo
Peculiarità/Complessità affrontate:
• Funzionamento off-design per adattarsi all’intermittenza della sorgente
solare e alla variabilità della richiesta termica
• E’ stato sviluppato un programma ad-hoc per l’ottimizzazione di tali impianti,
in funzione del profilo di domanda delle utenze termiche nel tempo
Caldaia a
biomasse ORC
Collettore
solare
Utenze
termicheRigeneratore
Caldaia a
biomasse ORC
Collettore
solare
Utenze
termiche
Frigorifero ad
assorbimento
By-pass
Credits: Ingg. Capra, De Servi, Martelli
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22. Laboratorio microcogenerazione
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
•Presso il Dipartimento di Energia del Politecnico è attivo il laboratorio LMC, una stazione di
prova per sistemi cogenerativi e trigenerativi di piccola scala: potenza elettrica fino a 100
kW, potenza termica fino a 300 kW.
•Sistemi: motori alternativi (Otto e Stirling), microturbine a gas, celle a combustibile (PEM,
SOFC) e relativi sistemi di trattamento del combustibile, frigoriferi ad assorbimento, pompe
di calore, caldaie.
Obiettivi:
•Test su prestazioni ed emissioni –
ottimizzazione logiche di controllo
•Future certificazioni
•Sviluppo nuovi sistemi
Progetti in corso:
•Microgen30: sviluppo innovativa
PEM FC (leader ICI Caldaie, ENEA,
ITM-CNR)
•PIACE: test sperimentali
comparativi su sistemi 1-3 kW
(leader Riello, CNR, Centro
Ricerche FIAT)
Sala prove
Sala
controllo
Circuiti idraulici
www.gecos.polimi.it
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23. Cogenerazione: software DCOGEN
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
Sviluppato presso Dip. di Energia del
Politecnico. Effettua la simulazione del
funzionamento di impianti di cogenerazione
e trigenerazione ricavando bilanci
energetici, economici e ambientali
Studi di fattibilità
Programma DCoGenFogli Elettronici Excel
di Input
Fogli Elettronici Excel
di Output
Simulazione Oraria di Tutti i Giorni-Tipo
Individuazione su Base Oraria della
Soluzione Economica Ottimale per Tutti
i Giorni Tipo
Costruzione dell'anno completo
Lettura dati dall'interfaccia Excel
Scrittura dei risultati
Calcolo delle Prestazioni Ambientali
Motore
Carichi
Dati Economici
Componenti
Output
Dettagliato
Output Sintetico
Valutazione dell'Investimento
Valutazione degli Effetti dell'Affidabilità
Ottimizzazione
impianti esistenti
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24. Conclusioni
•La cogenerazione risulta conveniente e giustificata laddove si possono sfruttare
sinergie tra la produzione di elettricità e di calore
•Energia termica ed Elettricità hanno un differente valore termodinamico ed
economico
•Se ben progettato, un impianto di cogenerazione può comportare vantaggi:
•Energetici: risparmio energia primaria
•Ambientali: riduzione delle emissioni di inquinanti e gas serra
•Economici: interessanti prospettive di redditività
•Secondo il Dm 4 agosto 2011 la cogenerazione può essere definita ad alto
rendimento (CAR) e quindi matura il diritto a ricevere i Certificati Bianchi (Titoli
di Efficienza Energetica):
•se il PES ≥ 10% per impianti di taglia medio-grande (≥ 1MWel)
•se il PES ≥ 0% per impianti di piccola (< 1MWel) o micro-cogenerazione (< 50 kWel)
•Non esiste una tecnologia cogenerativa predominante, individuabile in base a
regole generali. Infatti, la scelta deve essere frutto di un’opportuna
ottimizzazione tecnico-economica che tenga conto delle specifiche di progetto
(fabbisogno termico utenza, taglia, modalità approvvigionamento/costo
combustibile, contesto economico/finanziario, regime incentivante)
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
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25. Conclusioni: LEAP
Nel settore, LEAP offre alle imprese i seguenti servizi:
1. Consulenze su scelte energetiche;
2. Studi di pre-fattibilità e fattibilità tecnico-economica di impianti;
3. Esecuzione di audit energetici (in collaborazione con Laboratorio SIET,
Piacenza);
4. Supporto iter autorizzativo;
5. Software di simulazione e ottimizzazione impianti cogenerativi
(DCOGEN – sviluppato da Dip. Energia Politecnico di Milano);
6. Laboratorio caldaie Heat_Box e terminali di scarico Wind_Box
(Piacenza);
7. Laboratorio microcogenerazione LMC (Milano);
8. Misure delle emissioni di inquinanti e polveri fini ed ultrafini sugli
impianti.
Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
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26. Cogenerazione: applicazioni di grande e piccola taglia. Le esperienze del LEAP
GRAZIE PER L’ATTENZIONE!
Ing. Manuele Gatti – Consorzio LEAP
manuele.gatti@polimi.it
www.leap.polimi.it
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