Nel seguente elaborato, viene presentato il lavoro di ricerca svolto all’interno del corso di dottorato in Energetica e Fisica Tecnica. Le attività condotte hanno preso in esame le potenzialità dei sistemi di generazione distribuita di energia in campo civile, con particolare dettaglio per il settore residenziale. In una prima fase del lavoro si è condotta un’analisi della diffusione dei diversi sistemi di generazione distribuita sul territorio nazionale, evidenziando l’andamento nel tempo della numerosità di tali installazioni e sottolineando quali tecnologie hanno avuto maggiore sviluppo. Si è investigato sia sui sistemi non programmabili, sia sui sistemi di tipo programmabile. Successivamente, si è scelto di analizzare approfonditamente i sistemi di micro-cogenerazione. Nello specifico si è condotta una sperimentazione in scala di laboratorio su un prototipo di micro-cogeneratore a combustione interna. Il prototipo è stato testato in diverse condizioni di carico termico e con combustibili diversi. Relativamente alle diverse fonti energetiche, si è operata una sperimentazione sia a Gas Naturale (combustibile di progetto) sia mediante una miscela di Idrometano. Allo scopo di valutare le potenzialità dei sistemi micro-cogenerativi, rispetto alle tecnologie a equivalenti (come caldaia a condensazione e impianti fotovoltaici), sono state realizzate due analisi tecnico-economiche di cui una parametrica e una di tipo dinamico. In coerenza con i dati statistici analizzati, si può affermare che gli impianti fotovoltaici in particolare e in generale i sistemi alimentati da energie rinnovabili, hanno subito un incremento consistente a partire dal 2007. La tecnologia fotovoltaica è quella che allo stato attuale ha avuto una maggiore diffusione nel settore civile ed in particolare in quello residenziale. In linea teorica, una razionale gestione delle coperture dei singoli edifici di piccole comunità urbane, può produrre un risparmio di energia primaria annuo non trascurabile. La non programmabilità della produzione e lo sfasamento temporale con i carichi elettrici di utenza, risulta essere uno dei limiti di tale tecnologia. Questo aspetto è ancora più rilevane per le piccole applicazioni di eolico, in questo caso inoltre la variabilità territoriale della risorsa eolica è un ulteriore limite alla sua diffusione nel settore residenziale. Le soluzioni di micro-cogenerazione distribuita, rappresentano una valida alternativa alle tradizionali generazione di energia separata nel settore civile. Il mercato della micro-cogenerazione offre soluzioni ideali per applicazioni in piccola scala. In particolare i motori a combustione interna sono la soluzione che garantisce un adeguato compromesso tra maturità tecnologica e contenimento dei costi di investimento iniziale, rispetto alle restanti soluzioni cogenerative. La possibilità di alimentazione a Gas Naturale ne favorisce una potenziale diffusione in tutto il tessuto urbano. Le soluzioni con recupero di calore latente, rendono tali sistemi coerenti con le potenze e rendimenti termici per utenze residenziali. L’utilizzo di miscele innovative come l’Idrometano permette, un incremento dell’efficienza elettrica non trascurabile ai fini della promozioni di sistemi cogenerativi ad alto rendimento, in coerenza con gli attuali orientamenti normativi ed incentivanti. Dal punto di vista termico, l’utilizzo di miscele di Idrometano produce, in assenza di modifiche sul sistema di alimentazione, un inevitabile decadimento della potenza termica. Dal punto di vista del costo di gestione annuo, dalle simulazioni condotte, si evince che rispetto a soluzioni separate di energia, in cui non sono previsti sistemi di generazione elettrica localizzati, i sistemi CHP conducono a risparmi non trascurabili a partire dal 65 % di autoconsumo elettrico (7 % di risparmio per un auto consumo del 65 %). Le utenze più indicate per tali applicazioni sono quelle caratterizzate da un costo del kWh elettrico maggiore di 0.20 €/kWh, in particolare i maggiori benefici si ottengono nelle Zone climatiche E, dove il numero di ore di accensione del sistema di riscaldamento è maggiore. La possibilità di accedere ad accise ridotte permette un considerevole incremento del risparmio economico (10% di risparmio per un auto consumo del 65 %). Rispetto ad un sistema di generazione fotovoltaica di potenza simile, integrato all’interno di un utenza residenziale delle medesime caratteristiche, le simulazioni condotte hanno evidenziato come la soluzione cogenerativa risulta fortemente svantaggiata. Soltanto per le Zone E poste in Italia settentrionale, si ha una convenienza in termini di costo annuo di gestione dei sistemi di micro-cogenerazione se è garantito un autoconsumo non inferiore al 85 %. In conclusione, la scelta tra le diverse soluzioni di generazione distribuita di tipo elettrico, richiede un analisi approfondita delle caratteristiche dell’utenza finale, in termini di fabbisogni richiesti e di andamento dei carichi. Soltanto mediante una simile analisi, si possono ottenere i migliori benefici dalla soluzione tecnologica scelta.

Potenzialità e sviluppi dei sistemi di generazione distribuita nel settore civile. Analisi di producibilità su scala di laboratorio e su scala urbana

ALBO, ANGELO
2015-02-27

Abstract

Nel seguente elaborato, viene presentato il lavoro di ricerca svolto all’interno del corso di dottorato in Energetica e Fisica Tecnica. Le attività condotte hanno preso in esame le potenzialità dei sistemi di generazione distribuita di energia in campo civile, con particolare dettaglio per il settore residenziale. In una prima fase del lavoro si è condotta un’analisi della diffusione dei diversi sistemi di generazione distribuita sul territorio nazionale, evidenziando l’andamento nel tempo della numerosità di tali installazioni e sottolineando quali tecnologie hanno avuto maggiore sviluppo. Si è investigato sia sui sistemi non programmabili, sia sui sistemi di tipo programmabile. Successivamente, si è scelto di analizzare approfonditamente i sistemi di micro-cogenerazione. Nello specifico si è condotta una sperimentazione in scala di laboratorio su un prototipo di micro-cogeneratore a combustione interna. Il prototipo è stato testato in diverse condizioni di carico termico e con combustibili diversi. Relativamente alle diverse fonti energetiche, si è operata una sperimentazione sia a Gas Naturale (combustibile di progetto) sia mediante una miscela di Idrometano. Allo scopo di valutare le potenzialità dei sistemi micro-cogenerativi, rispetto alle tecnologie a equivalenti (come caldaia a condensazione e impianti fotovoltaici), sono state realizzate due analisi tecnico-economiche di cui una parametrica e una di tipo dinamico. In coerenza con i dati statistici analizzati, si può affermare che gli impianti fotovoltaici in particolare e in generale i sistemi alimentati da energie rinnovabili, hanno subito un incremento consistente a partire dal 2007. La tecnologia fotovoltaica è quella che allo stato attuale ha avuto una maggiore diffusione nel settore civile ed in particolare in quello residenziale. In linea teorica, una razionale gestione delle coperture dei singoli edifici di piccole comunità urbane, può produrre un risparmio di energia primaria annuo non trascurabile. La non programmabilità della produzione e lo sfasamento temporale con i carichi elettrici di utenza, risulta essere uno dei limiti di tale tecnologia. Questo aspetto è ancora più rilevane per le piccole applicazioni di eolico, in questo caso inoltre la variabilità territoriale della risorsa eolica è un ulteriore limite alla sua diffusione nel settore residenziale. Le soluzioni di micro-cogenerazione distribuita, rappresentano una valida alternativa alle tradizionali generazione di energia separata nel settore civile. Il mercato della micro-cogenerazione offre soluzioni ideali per applicazioni in piccola scala. In particolare i motori a combustione interna sono la soluzione che garantisce un adeguato compromesso tra maturità tecnologica e contenimento dei costi di investimento iniziale, rispetto alle restanti soluzioni cogenerative. La possibilità di alimentazione a Gas Naturale ne favorisce una potenziale diffusione in tutto il tessuto urbano. Le soluzioni con recupero di calore latente, rendono tali sistemi coerenti con le potenze e rendimenti termici per utenze residenziali. L’utilizzo di miscele innovative come l’Idrometano permette, un incremento dell’efficienza elettrica non trascurabile ai fini della promozioni di sistemi cogenerativi ad alto rendimento, in coerenza con gli attuali orientamenti normativi ed incentivanti. Dal punto di vista termico, l’utilizzo di miscele di Idrometano produce, in assenza di modifiche sul sistema di alimentazione, un inevitabile decadimento della potenza termica. Dal punto di vista del costo di gestione annuo, dalle simulazioni condotte, si evince che rispetto a soluzioni separate di energia, in cui non sono previsti sistemi di generazione elettrica localizzati, i sistemi CHP conducono a risparmi non trascurabili a partire dal 65 % di autoconsumo elettrico (7 % di risparmio per un auto consumo del 65 %). Le utenze più indicate per tali applicazioni sono quelle caratterizzate da un costo del kWh elettrico maggiore di 0.20 €/kWh, in particolare i maggiori benefici si ottengono nelle Zone climatiche E, dove il numero di ore di accensione del sistema di riscaldamento è maggiore. La possibilità di accedere ad accise ridotte permette un considerevole incremento del risparmio economico (10% di risparmio per un auto consumo del 65 %). Rispetto ad un sistema di generazione fotovoltaica di potenza simile, integrato all’interno di un utenza residenziale delle medesime caratteristiche, le simulazioni condotte hanno evidenziato come la soluzione cogenerativa risulta fortemente svantaggiata. Soltanto per le Zone E poste in Italia settentrionale, si ha una convenienza in termini di costo annuo di gestione dei sistemi di micro-cogenerazione se è garantito un autoconsumo non inferiore al 85 %. In conclusione, la scelta tra le diverse soluzioni di generazione distribuita di tipo elettrico, richiede un analisi approfondita delle caratteristiche dell’utenza finale, in termini di fabbisogni richiesti e di andamento dei carichi. Soltanto mediante una simile analisi, si possono ottenere i migliori benefici dalla soluzione tecnologica scelta.
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