Sistemi ibridi e di energy storage - Convegno Viessmann, Lodi 23 aprile 2015

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Sistemi ibridi e di energy storage
Lodi , 23 aprile 2015
Mauro Braga
Accademia Viessmann

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 Trend costo energia primaria con fluttuazioni dei
prezzi nel breve e medio periodo fortemente
oscillanti
 fonti energetiche rinnovabilinon sempre prevedibili
nella disponibilità , erogazione e convenienza
 Spread crescente tra costi dell’energia primaria e
secondaria
Criteri di scelta progettuale: fattori di influenza
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Efficienzaconsistemiibridiesoluzionidienergyefuelstorage
Seite2
8,08 8,32 8,57 8,83 9,09 9,37 9,65 9,94
18,5 19,06 19,63 20,22 20,82 21,45 22,09 22,75
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
Gasnaturale Energia elettrica

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 soluzioni che consentano di assorbire e distribuire picchi e fabbisogni
 Sistemi di energy storage
 soluzioni flessibili relativamente alla sorgente da utilizzare in base alle condizioni di utilizzo
 Sistemi ibridi
 soluzioni che rendono competitivo il produrre energia secondaria localmente
 Sistemi di cogenerazione
Criteri di scelta progettuale:
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 a soluzioni flessibili relativamente alla sorgente da utilizzare in base alle condizioni di utilizzo
 Sistemi ibridi
 a soluzioni che rendono competitivo il produrre energia secondaria localmente
Criteri di scelta progettuale
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Sistemi di energy storage
Sistemi di storage di energia secondaria
Ice Storage (ghiaccio)
Accumulo inerziale (acqua tecnica)
Bollitore (acqua sanitaria)
Accumulo combinato (diverse fonti)
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Vettore acqua : densità energetica
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Tipo
accumulo
Capacità
kg
Δt
K
Energia
immagazzinata
kWh
Temperatura minima per il
ripristino
°C
Bollitore
acqua
sanitaria
10.000 40 465
> 55
ΔT 10 rispetto a temp utlizzo
Accumulo
inerziale
10.000
65
(da 15 a 80°C)
755
 45 °C
(ΔT 10 rispetto a temp utlizzo
 min 35°C)
Ice storage 10.000
0
cristalizzazione
> 930
>10 °C
ΔT rispetto alla temperatura di
cristallizzazione
Tipo accumulo
Capacità
kg
Δt
K
Energia da
immagazzinare
kWh
Temperatura minima per
il ripristino
°C
Bollitore acqua
sanitaria
77.519
15
(da 55 a 40 °C)
1.000
> 55
ΔT 10 rispetto a temp
utlizzo
Accumulo
inerziale
25.839
45
(da 80 a 35°C)
1.000
> 45
ΔT 10 rispetto a temp
utlizzo min 35°C
Ice storage 10.752
0
cristalizzazione
1.000
>10
ΔT rispetto alla
temperatura di
cristallizzazione

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 Vitocell 100 CVA – 200 lt.
 Dispersioni per mantenimento
in funzione (secondo DIN EN 12897 :2006)
 Qst a una differenza di temperatura di 45 K
1,7 kWh/24h
Perdite per dispersione: Importanza della qualità della coibentazione e dimensioni
 Vitocell 100 CVA-A – 200 lt.
 Dispersioni per mantenimento
in funzione (secondo DIN EN 12897 :2006)
 Qst a una differenza di temperatura di 45 K
1,04 kWh/24h
Aumento efficienza= 1-(1,04/1,7) = 39 %
B
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Celle a vuoto

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Storage energia secondaria
Sistema Vitocell + Vitotrans 353
Accumulo ad elevato livello energetico per
produzione acqua calda sanitaria
 Possibilità di alimentazione da più sorgenti
termiche (biomassa, gas, solare….)
 Significativi quantitativi di acqua calda
sanitaria in breve tempo
 Rischio legionella evitato
 Superfici tecniche impegnate ridotte così
come le superfici disperdenti
Combinazione accumulo inerziale e produzione acqua calda sanitaria
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Flessibilità abbinamento capacità da 400 a 950 litri e portata istantanea da 25 a 68 l/min
Vitocell-E + Vitotrans 353
Capacità 400 600 750 950
Vitocell
100-E
PZS
25 l/min
PZS
25 l/min
PZM
48l/min
PZS
25l/min
PZM
48l/min
PZS
25l/min
PZM
48l/min
Vitocell
140-E
PZS
25 l/min
PZS
25 l/min
PZM
48l/min
PZS
25l/min
PZM
48l/min
PZS
25l/min
PZM
48l/min
Vitocell
160-E
PZS
25l/min
PZM
48l/min
PZS
25l/min
PZM
48l/min

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 a soluzioni che consentano di assorbire e distribuire picchi e fabbisogni
 Sistemi ibridi
 a soluzioni che rendono competitivo il produrre energia secondaria localmente
Criteri di scelta progettuale
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Sistemi ibridi
Sistemi ibridi sono tutti quelli che consentono lo
switch da una fonte ad un´altra e consentono :
 Flessibilità di alimentazione
 Affidabilità del servizio
 Sinergia di tecnologie
Soluzioni che consentono la scelta flessibili e dinamica della fonte
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Sistemi ibridi
Impianto con pdc, caldaia a gas metano o gpl e fotovoltaico
 Esempio di impianto con
- pompa di calore
- caldaia a gas a condenszione
- impianto fotovoltaico
 Vitocaldens 222
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esaminiamo l´impiego di
 Gas fonte primaria fossile
 Energia elettrica fonte secondaria
 Energia naturale dell´aria fonte rinnovabile
 Energia solare fotovoltaica fonte rinnovabile

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Sistemi ibridi
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Schema impianto con pompa di calore, caldaia a gas metano o gpl e fotovoltaico

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Premessa: Analisi Tariffe elettriche
 Tariffa D1 agevolata per PdC e consumi domestici,
costo unitario dell‘energia costante non soggetto a
progressività sui consumi
Condizioni di accesso alla tariffa D1
 La tariffa D1 è concessa solo per sistemi in sola PdC
 Il generatore a gas può essere solo di back-up
 Integrazione consentita con generatori a biomassa
Sistemi ibridi
Strategia di controllo
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Potenza(%)
Temperatura esterna (°C)
Carico termico edificio
Pompa di calore
Generatore ausiliario
Punto di biv.
Limite riscaldam.
Funzionamento Alternativo
Sistemi ibridi: pompa di calore e caldaia
Strategie di controllo: funzionamento alternativo o parallelo
Funzionamento Parallelo
Potenza(%)
Temperatura esterna (°C)
Carico termico edificio
Pompa di calore
Generatore ausiliario
Punto di biv.
Limite
riscaldam.
 La caldaia sostituisce la Pdc per
economicità di esercizio
 La caldaia integra la Pdc per
soddisfare la richiesta termica
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Potenza in
riscaldamento della
pompa di calore
Fabbisogno di calore
impianto
Punto di bivalenza
70
Temperatura esterna in °C
Potenzain%
Con temperature inferiori al punto di bivalenza è necessario valutare una fonte energetica integrativa,
che può integrare (funz.parallelo) o sostituire (funz. alternativo) la pompa di calore
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Strategia di controllo: inserimento generatori

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Esempio*: Tariffa elettrica 28 cent/kWh
 COP di pareggio= 3
 T_BIV= 3°C
Esempio*: Tariffa elettrica 20 cent/kWh
 COP di pareggio= 2,2
 T_BIV= - 4°C
*T mandata 45 °C
Costo combustibile fossile 9,13 cent/kWh
Temperatura di bivalenza variabile sulla base dei costi energetici
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Sistemi ibridi : pompa di calore e caldaia
Quota di copertura al variare del prezzo dell’energia
 Prezzo energia elettrica
28 Cent/kWh
Fasce orarie feriali/diurne:
Fasce orarie festive/serali:
 Prezzo energia elettrica
20 Cent/kWh
 Aumenta la copertura energetica
fornita dalla PdC
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Gestione ottimizzata del sistema:
 Considera in tempo reale i costi
dell’energia termica ed elettrica
 Monitora la produzione FV per dare
precedenza alla pdc
 Importante è dimensionare
correttamente l’accumulo inerziale per
ottimizzare il time-shift
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Integrazione energia da fotovoltaico

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 Produzione conveniente con il sistema e
la fonte energetica più efficiente
 Elevato comfort in tutte le condizioni di
esercizio grazie all‘accumulo
Sistemi ibridi con pompa di calore
Conclusioni
 Management energetico ottimizzato e
affidabilità di sistema
ACQUA CALDA SANITARIA
DIMENSIONAMENTO
FLESSIBILITÀ/SICUREZZA
 PdC ottimizzata per le temperature esterne medie:
 maggiore efficienza di funzionamento
 minori costi di investimento e operativi
(contatore elettrico, superficie FV, consumi…)
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Sistemi ibridi combinati con energy storage innovativi
Accumuli ad elevata densità energetica in abbinamento a pompa di calore

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Ice Storage
Accumuli ad elevata densità energetica in abbinamento a pompa di calore
 Miscela acqua e ghiaccio come sorgente
fredda di cicli termodinamici
 Accumulo ad elevata densità energetica per
mesi intermedi ed estivi
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Componenti del sistema

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 Capacità energetica di cristallizzazione
Contenuto 10 m3 di acqua
10.000 Kg x 93 Wh/Kg = 930.000 Wh
 Capacità energetica acqua calda
Contenuto 10 m3 di acqua
10.000 Kg x 1,16 Wh/Kg x Δt 80 = 928.000 Wh
 Energeticamente equivalente a circa 100
litri di gasolio o m3 di metano
Ice Storage
Accumulo ad elevata densità energetica
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Ghiaccio
Acqua + ghiaccio
Acqua
Liquido - vapore
Vapore

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Fonti energetiche della pdc :
Irraggiamento solare
Aria esterna
Terreno
Ice Storage
Accumuli ad elevata densità energetica: Schema applicativo
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 Vantaggi
 Riduzione degli ingombri per stoccare
energia (densità energetica)
 Fonte fredda a temperatura costante
(cristallizzazione a temp. costante)
 Ottimizzazione ciclo termodinamico
della PdC in un range operativo definito
 Combinazione di più sorgenti per
apporti energetici distribuiti
Ice Storage
Accumulo ad elevata densità energetica
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 Biomassa fonte rinnovabile
Sistema ibrido con biomassa
Caldaia a biomassa + pompa di calore sanitario e fotovoltaico
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 Esempio di impianto con
- pompa di calore x acqua sanitaria
- caldaia a biomassa a legna
+ impianto fotovoltaico
 Vitoligno 200 S e Vitocal 161

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Vsp ( litri ) =15*QN*TB*(1-0.3*QH/Qmin
 Vsp = Capacità del serbatoio
 QN = kW nominale
 Qmin = kW minima
 TB = h durata carica
 QH = kW edificio
Dimensionamento accumulo inerziale per biomassa legnosa
Norma di riferimento EN-UNI 303-5 2012
Energia generatore QN x TB ( kWh )
Capacitàaccumulo
Esempio:
 TB = 6h (legno duro)
 QN = 20 kW
 Qmin = 10kW
 QH = 8 Kw
 15 x 20 x 6 (1-0,3 x 8/10) = 1368 lt.
 quindi si opterà per 1500 lt.
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Sistema ibrido con biomassa:
Dimensionamento accumuli inerziali
Generatori ad alimentazione manuale
Generatori ad alimentazione automatica
Vsp ( litri ) =15*QN x TB x (1-0.3*QH/Qmin)
 Vsp = Capacità del serbatoio
 QN = kW nominale
 Qmin = kW minima
 TB = h durata carica
 QH = kW edificio
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Norma di riferimento EN-UNI 303-5 2012

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Schema impianto ibrido con biomassa
Schema biomassa, pompa di calore sanitaria e fotovoltaico
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Conclusioni
 Produzione acqua sanitaria con pompa di
calore nel periodo estivo o in presenza di
esubero produzione energia elettrica
 Autoconsumo produzione da fotovoltaico
 Possibilità di shift time
 Stoccaggio energia legnosa sotto forma termica
 Aumento autarchia
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Caldaia a biomassa, solare termico, accumulo inerziale per produzione sanitaria
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 Biomassa fonte rinnovabile
Vitoligno 300 C
Vitosol 100
Vitocell 100-E + Vitotrans 353

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 Riduzione delle emissioni inquinanti in
atmosfera con accumulo termico
 Obbligatorio secondo UNI-EN 303-5 2012
sia per i generatori automatici che a
caricamento manuale
Accumulo inerziale effetti su Emissioni inquinanti e accumulo termico
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Classe
3
Classe
4
Classe
5
Classe
3
Classe
4
Classe
5
Classe
3
Classe
4
Classe
5
Pn<= 50 5000 150 150
50 < Pn<= 150 2500 100 150
150 < Pn<= 500 1200 100 150
Pn<= 50 3000 100 150
50 < Pn<= 150 2500 80 150
150 < Pn<= 500 1200 80 150
Polveri totali (mg/m3
)
Limiti di emissione
Alimentazione
Potenza nominale
(kW)
30 75
CO (mg/m3
) OGC (mg/m3
)
1200
60
60
4020
Manuale
Automatica 1000
700
500
50
30

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Schema impianto a biomassa e solare
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Caldaia a biomassa, solare termico, accumulo inerziale per produzione sanitaria

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 Sfruttamento di due fonti energetiche diverse
per la produzione sanitaria
 Impianto a biomassa completamento
automatico
 Importante produzione sanitaria
 Evitato trattamento legionella
01.01.2012
Mustertext/Titel
Conclusioni
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Sistemi di fuel ed energy storage
 Stoccaggio di cippato o legna da ardere
 Energia primaria disponibile all’utenza
 Contenuto idrico della fornitura
 Trasporto e movimentazine dell’energia
 Autonomia di esercizio
Stoccaggio energia primaria in un impianto di biomassa legnosa
 Economia di processo
 Ottimizzazione processo di combustione
 Aumento efficienza del generatore
 Riduzione emissioni inquinanti
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 Contenuto idrico della legna corretto per una
combustione ottimale del generatore
 Contenuto idrico minore equivale ad una
densità energetica maggiore
 Una diminuzione del contenuto idrico del
10% comporta un aumento di contenuto
energetico pari a 0,6 kWh/Kg.
 1 msr di cippato di faggio pesa 750 Kg si
avrà un maggiore contenuto energetico pari
a : 750 kg x 0,6 kWh/Kg = 450 kWh/m3
Biomassa legnosa: Capacità energetica
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 Fornitura con automezzo da 100 m3
100 x 450 kWh = 45000 kWh recuperati
Costo medio cippato M 35 25 €/MWh
45.000/1000 MWh x 25 €/MWh = 1125 €
Essicazione del cippato Risparmio economico
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 Utilizzo di cascami energetici da cicli di
processo (cogeneratori, impianti ORC,
impianti a vapore, gassificatori, fluidi
tecnologici…)
 Ottenuto con insufflaggio di aria calda
 Temperatura max dell’aria di essicazione
50°C per evitare degrado termico della
biomassa
Biomassa legnosa Essicazione del cippato
Aria preriscaldata
Ventilatore
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 Energia necessaria per l’essicazione di
1 ton di cippato di abete rosso da M50 a M20
3-4 MJ/Kg acqua (3,6 MJ= 1 kWh)
1000 Kg M50 = 500 Kg acqua
1000 Kg M20 = 200 Kg acqua
300 Kg di acqua x 1 kWh = 300 kWh essicazione
Recupero energetico ottenuto da un cascame energetico nobilitando il combustibile «povero»
quindi economico per aumentarne la densità termica e di conseguenza l’energia disponibile
Biomassa legnosa Recupero energetico per essicazione
MJ/Kg ton.
Contenuto idrico
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Densità energetica
Cippato M50 = 2,23 kWh/Kg
Cippato M20 = 3,98 kWh/kg

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 Generatore Viessmann a cippato 2,6 MW
 Gruppo ORC da 300 kWe
 Essicatore Lauber da 1 MW
 Essicazione cippato da >M50 a <M 20
con 0°C esterni
 Capacità 80 m3 per 5 box
 Tempo medio essicazione 4 giorni
 Consumo cippato riduzione >40%
Case history – Nova Levante (BZ) Impianto di teleriscaldamento ed essicazione
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 Sistemi ibridi
 soluzioni che rendono competitivo il produrre energia secondaria localmente
Criteri di scelta progettuale:
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Cogenerazione
Fattori di scelta
8,60 8,86 9,12 9,40 9,68 9,97 10,27 10,58
22 22,66 23,34 24,04 24,76 25,50 26,27 27,06
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Gasnaturale Energia elettrica
 Fluttuazioni dei prezzi energetici nel
breve periodo possono influenzare la
redditività dell’investimento
(payback time)
 Spread tra costi di energia primaria e
secondaria
 Primary Energy Saving (PES) elevato rispetto
alla generazione separata
 Economicità derivata da lunghi periodi di
funzionamento e contemporaneo
autoconsumo
€/MWh
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Cogenerazione
 Celle a combustibile di piccola potenza:
rapporto termico/elettrico molto bilanciato
 Tecnologie diversificate PEM e SOFC
 Soluzione idonea particolarmente per edifici ad
elevata efficienza energetica
Produzione decentralizzata di calore ed elettricità con celle a combustibile
 Economicità legata a significativi periodi di
esercizio e contemporaneo autoconsumo
 Fondamentale considerare forme di accumulo
localizzate (elettrico e termico)
500 m3 metano/ a 4.000 m3 metano/ a
4.000 kWh elettricità/ a 4.000 kWh elettricità/ a
Fabbisogno Energia Termica
Fabbisogno Energia Elettrica
Nuovo Esistente
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Cogenerazione
 Motori a combustione di piccola/media taglia:
produzione molto sbilanciata sul termico
 Applicazioni con elevati fabbisogni termici
rispetto ai fabbisogni elettrici
 Possibilità di impiego nella riqualificazione di
impianti esistenti ad alta temperatura
 Possibilità di diversi combustibili:
 Metano
 GNL
 Gpl
 Biogas
Produzione decentralizzata di calore ed elettricità con motori a combustione
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Cogenerazione
Schema impianto
Potenziali recuperi termici:
- Circuito a bassa temperatura
- Esubero produzione energia termica
- Accumulo inerziale (Shift time)
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