Transcript Quale futuro per le reti di teleriscaldamento?

Quale futuro per le reti di
teleriscaldamento?
Prestazioni energetiche reali e prospettive future
Dario Prando, Marco Baratieri
Libera Università di Bolzano
Sustainable use of biomass in South Tyrol: from production to technology
Progetto finanziato dalla Provincia Autonoma di Bolzano
Bolzano, 11.11.2014
Sustainable use of biomass in South Tyrol:
from production to technology
Work packages:
i) quantification and characterization of available local agricultural woody
biomasses and assessment of the environmental impacts derived from
their utilization
(Prof. Stefan Zerbe, Martina Boschiero)
ii) detailed analysis (quantification, ecological and socio-economical aspects)
of the riparian woody biomass available for bioenergy production
(Prof. Francesco Comiti, Dr. Daniela Campana)
iii) study of the biomass energy conversion technology
(Prof. Marco Baratieri, Dario Prando)
Sommario
• Panoramica degli impianti a biomassa in Alto Adige
• Monitoraggio di due impianti CHP
A Title
of Part 1 of(1000
the presentation
• caldaia-ORC
kW )
el
B
Title
of Part 2 of the(45
presentation
• gassificatore-MCI
kWel)
C Titledell‘efficienza
of Part 3 of energetica
the presentation
• Impatto
edilizia sugli impianti di
teleriscaldamento
• Conclusioni
• Sviluppi futuri
Panoramica degli impianti a biomassa in Alto Adige
Caldaia-ORC
Più di 10 impianti
200 – 1500 kWel
Gassificatore-MCI
Più di 20 impianti
30 – 1000 kWel
Monitoraggio di caldaia-ORC e gassificatore-MCI
Caldaia-ORC: Schema impianto
Caldaia a cippato con griglia mobile
Generatore ORC a fluido organico (ottametiltrisilossano)
DRYER
WOODCHIP
STORAGE
Ash
BIOMASS
BOILER
ORC
Pel
Pth
Pth
DH
NETWORK
Pth
Pth
primary network
Monitoraggio di caldaia-ORC e gassificatore-MCI
Gassificatore-MCI: schema impianto
Gassificatore in equicorrente a letto fisso
Motore a combustione interna (MCI) con turbo-compressore
WOODCHIP
BUILDINGS
and
AIR COOLER
GASIFIER
FILTER
Char
GAS COOLING
Pel
Pth
Pth
ICE
Pth
Monitoraggio di caldaia-ORC e gassificatore-MCI
Metodi e strumenti:
Cippato
Massa cippato (bilancia)
Umidità (EN 14774:2009), potere calorifico (EN 14918:2010), contenuto ceneri (EN
14775:2010), analisi elementare (EN 15104:2011)
Potenza termica
Portata fluidi vettore (misuratore magnetico e misuratore ad ultrasuoni Riels AP5190)
Temperature (Agilent 34970A e PT100)
Potenza elettrica
Analizzatore di rete (HT PQA820) e misuratore integrato nell’impianto (se disponibile)
Gas di gassificazione
Composizione (μGC R-3000 Agilent)
Monitoraggio di caldaia-ORC e gassificatore-MCI
Risultati: Prestazioni energetiche reali
Carico elettrico (%)
Potenza elettrica (kWe)
Potenza termica (kWt)
Potenza ingresso (kWt)
Consumo biomassa (kg h-1)
Umidità biomassa (%)
Potere calorifico netto (MJ kg-1)
Produzione ceneri/char (kg h-1)
Caldaia-ORC
79
94
790
940
4160
4710
6290
7140
1454
1703
14.4
15.6
15.6
15.1
11.2
11.5
Gassif.-MCI
95
43
98
196
40
6.6
17.8
0.75
Monitoraggio di caldaia-ORC e gassificatore-MCI
Risultati: Prestazioni energetiche reali
Caldaia-ORC
Carico elettrico (%)
79
94
Efficienza elettrica lorda (%)
12.6
13.2
Efficienza termica (%)
66.0
66.2
Rapporto energia elettrica/calore (-) 0.19
0.20
Gassific.-MCI
95
21.8
49.9
0.44
Elevata efficienza elettrica per gassificatore-MCI
Possibilità di funzionamento ai carichi parziali per caldaia-ORC
Monitoraggio di caldaia-ORC e gassificatore-MCI
Pompa olio diatermico
37.7 kW (12.6 %)
Estrattore fumi
59.8 kW (19.9 %)
Ventilatori aria
11.0 kW (3.7 %)
Results: Boiler-ORC
Risultati:
Caldaia-ORC
plant
16%
9%
Ventilatore
condensazione
Input biomassa
32.8 kW (10.9 %)
Perdita calore latente fumi
Perdita calore sensibile fumi
Precipitatore elettrostatico
1.8 kW (0.6 %)
Movimentaz. biomassa/ceneri
7.8 kW (2.6 %)
Pompe rete telerisc.
4.9 kW (1.6 %)
Perdita calore corpo caldaia
Pompa ORC
59.9 kW (20.0 %)
Input ORCOther auxiliaries
72.1 kW (24.0 %)
Perdita termica ORC
Pompa caldaia-rete
1.3 kW (0.4 %)
Produzione calore ORC
66%*
Pompa ORC-rete
10.9 kW (3.6 %)
Produzione elettrica ORC
Consumo elettrico ausiliari
25% della produzione
elettrica lorda
*based on LHV of biomass
10%*
Monitoraggio di caldaia-ORC e gassificatore-MCI
Risultati: Caldaia-ORC
Efficienza elettrica ORC
Riduzione T rete
1
0.8
0.6
aumento ηel
0.4
-10 °C
+1% (val. assoluto)
Temperatura media rete primaria [ C]
CH4; 1.6%
H2; 17.1%
Monitoraggio di caldaia-ORC e gassificatore-MCI
CO ; 21.9%
O2; 0.2%
Risultati: Gassific.-MCI
CO2; 7.8%
22.6%
Input biomassa
7.2%
N2; 51.6%
Output char
Perdita calore gassificatore
LHV = 4.7 MJ/kg
Producer gas
Calore raffreddamento gas
4.0%
Input MCI
Perdita termica MCI
Produzione calore MCI
46.0%
Produzione elettrica MCI
Consumo elettrico ausiliari
% based on LHV of biomass
15% della produzione
elettrica lorda
18.5%
Monitoraggio di caldaia-ORC e gassificatore-MCI
Risultati: Gassific.-MCI
Smaltimento char (150 €/t)
LHV ≈ 23 MJ/kg ; mCHAR/mBIOM ≈ 2 %
 2.4% energia ingresso biomassa
N; 0,8%
H; 0,3%
C;
68,6%
O; 2,3%
ash;
27,8%
Impatto dell’efficienza energetica edilizia sugli
impianti di teleriscaldamento
Recast EPBD 2010 (Direttiva Prestazioni Energetiche Edifici)
Miglioramento delle prestazioni energetiche degli edifici soggetti a
rinnovamento consistente
Promozione del teleriscaldamento, in particolare se basato
completamente o parzialmente su fonti rinnovabili
Conflitto economico ed energetico per il teleriscaldamento
• Ridotta capacità utilizzo rete
• Conseguente riduzione di efficienza e ricavi
Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento
Figure source: Lund H, et al., 4th Generation District Heating (4GDH), Energy (2014), http://dx.doi.org/10.1016/ j.energy.2014.02.089
Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento
Lunghezza
tubi centrale-edificio
plant-building [m] (m)
Pipe length
Micro-reti teleriscaldamento ispezionate
1
800
Surveyed Grids
Average Grid
700
600
500
Anno di costruzione degli edifici
dell’Alto Adige1:
- Ante 1960 (37%)
- 1960-1990 (49%)
- Post 1990 (14%)
400
Caratteristiche edilizie in funzione
dell’anno di costruzione in
accordo con UNI/TS 11300-1
300
200
100
0
0
2
4
6
8
10
12
Number of buildings
Numero di edifici
14
16
Area pianta edificio in base ai dati
rilevati
National Statistical Institute, 2 UNI/Ts 11300-1:2008 Energy performance of buildings Part 1: Evaluation of energy need for space heating and cooling
Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento
Reference building before 1960
Opaque Envelope
Windows
Single-pane
-2
-1
Clay Insulation
Ugl (W m K )
5.693
d (m)
0.2
0
SHGC
0.810
-1
-1
λ (W m K ) 0.25
0.04
Frame
Std Timber
-3
-2
-1
ρ (kg m )
893
40
Uf (W m K )
3.2
c (J kg-1 K-1) 840
1470
Af/Awind. (%)
22.2
Reference building between 1960 and 1991
Opaque Envelope
Windows
Single-pane
-2
-1
Clay Insulation
Ugl (W m K )
5.693
d (m)
0.2
0.01*
SHGC
0.810
λ (W m-1 K-1) 0.25
0.04
Frame
Std Timber
-3
-2
-1
ρ (kg m )
893
40
Uf (W m K )
3.2
-1
-1
c (J kg K ) 840
1470
Af/Awind. (%)
22.2
Reference building after 1991
Opaque Envelope
Windows
Double-pane
Clay Insulation
Ugl (W m-2 K-1)
3.44
d (m)
0.2
0.05
SHGC
0.757
-1
-1
λ (W m K ) 0.25
0.04
Frame
Std Timber
-3
-2
-1
ρ (kg m )
893
40
Uf (W m K )
2.63
-1
-1
c (J kg K ) 840
1470
Af/Awind. (%)
22.2
*equivalent to an air cavity (R = 0.25 m² K W-1)
Caratteristiche edilizie in
funzione dell’anno di
costruzione in accordo con
UNI/TS 11300-1
Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento
Determinazione della configurazione cost-optimal
- Isolamento elementi opachi (range 1-20 cm con step di 1 cm)
- Finestre con 4 tipologie di vetrocamera (doppio o triplo con alto o basso
fattore solare-SHGC)
- Ventilazione meccanica con recuperatore di calore (MVHRS)
Simulazioni effettuate per mezzo di TRNSYS 17 e MATLAB
Minimizzazione di EP (energia primaria) e VAN (valore attuale netto)
- Selezione delle configurazioni con il minor VAN per ogni edificio
- Classificazione degli edifici rinnovati secondo VAN crescente
Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento
Opaque Envelope: Insulation Layer
Thermal characteristic of Polystyrene EPS
IC (EUR m-2) (1)
λ (W m-1 K-1)
0.04
t = thickness (cm)
-1
-1
ICVW = 1.6 t + 38.53
c (J kg K )
1470
-3
ρ (kg m )
40
ICHW = 1.88 t + 8.19
Transparent Envelope
Aluminium Frame with thermal break Uf = 1.2 (W m-2 K-1)
Glazing
Ugl (W m-2 K-1) SHGC
IC (EUR m-2) (1)
DH – Double, high SHGC (4/9/4, krypton, low-e)
1.140
0.608
ICDH = 404.33
DL – Double, low SHGC (6/16/6, krypton, low-e)
1.099
0.352
ICDL = 439.06
TH – Triple, high SHGC(6/12/6/12/6 krypton,low-e)
0.613
0.575
ICTH = 477.65
TL – Triple, low SHGC (6/14/4/14/6 argon, low-e)
0.602
0.343
ICTL = 454.49
Mechanical ventilation heat recovery system (MVHRS)
Ventilation Rate (m3 h-1)
150
IC (EUR) (1)
Power (W)
59.7
ICMV = 6000 EUR
(2)
Heat price
Increase heat price (3)
VAT
(1) (Penna
Parameters for the economic analysis
0.10 EUR kWh-1
Electricity Cost (4)
Increase electricity
2.8 %
10 %
price (3)
Real Interest Rate
0.25 EUR kWhel -1
1.71 %
3%
et al., 2014); (2) (Gasser and Meran, 2014); (3) (European Commission, 2009); (4) domestic customer (AEEG, 2013)
Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento
Determinazione delle prestazioni energetiche ed economiche
della rete di teleriscaldamento
- Ogni edificio soggetto a miglioramento delle prestazioni energetiche
crea un nuovo scenario
- Calcolo della temperatura di rete (i.e., TMIN and T = 90 °C)
- Calcolo di EP e VAN del teleriscaldamento
Heat (€/kWh)
Pellet (€/t)
Electricity* (€/kWh)
Ash (€/t)
Price
0.10
263.5
0.1358
150
Maintenance (€/year)
1500
*Industrial customer
Reference
Networks survey
(IRE, 2014)
(AEEG, 2013)
Networks survey
(Viessmann,
2013)
Minima richiesta per
soddisfare le esigenze
di tutti gli edifici
Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento
Risultati: Ottimizzazione cost-optimal
Building # 13
140
130
120
110
30
70
110
HeatEPdemand
(kWhanno)
m-2 year-1)
(kWh/m²
120
(migliaia
VANNPV
EUR anno)
EUR)
(Thousands
(migliaia
VANNPV
EUR anno)
EUR)
(Thousands
150
Building # 14
105
90
75
60
20
110
200
-2
-1
HeatEP
demand
(kWhanno)
m year )
(kWh/m²
Configurazione con minor VAN  la più probabile per l’utente
Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento
Risultati: Frazioni del calore scambiato sulla rete
Energia termica (MWh/anno)
Riscaldamento edifici
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
T=90 C
ACS
(Temperatura mandata rete)
T min
0
- 34 %
Perdite rete
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Numero edifici rinnovati
35 %
Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento
Risultati: Prestazioni energetiche ed economiche della
VAN (migliaia EUR)
rete di teleriscaldamento
TMIN
400
300
T=90°C
(nessun rinnovo)
200
100
0
-100
-200
0
500
1000
EP (MWh/anno)
1500
Efficienza energetica edilizia e teleriscaldamento
Risultati: Prestazioni energetiche ed economiche della
VAN (migliaia EUR)
rete di teleriscaldamento
TMIN
400
T=90°C
300
200
100
0
-100
-200
0
500
1000
1500
EP (MWh/anno)
Area media riscaldata degli edifici:
120 m²
225 m²
330 m²
Conclusioni
 Funzionamento ai carichi parziali per caldaia-ORC
 Integrazione con reti di teleriscaldamento a bassa temperatura
 elevata efficienza elettrica
 NO carichi parziali per impianti gassificazione (piccola scala)
 Elevata efficienza elettrica impianti a gassificazione
 Valorizzazione CHAR è questione aperta
 Incentivi nazionali promuovono fortemente la produzione elettrica
 minima valorizzazione del calore
 Efficienza energetica edifici può influire pesantemente su
prestazione energetiche ed economiche della rete
teleriscaldamento
 Implementazione TMIN rete è il primo step importante
Sviluppi futuri
Progetto “GAST”
Normativa di riferimento per
campionamento del TAR :
UNI CEN/TS 15349
TAR sampling
bottles
Producer
gas
μGC
Ringraziamenti
Gestori reti teleriscaldamento monitorate
Ufficio risparmio energetico BZ
Ufficio Informatica geografica e statistica BZ
Grazie!
A
Title of Part 1 of the presentation
B
Title of Part 2 of the presentation
C
Title of Part 3 of the presentation
Thank you!
[email protected]
Danke!