Uno sguardo al mercato dei dispositivi per

Uno sguardo al mercato dei dispositivi per
la cogenerazione di piccola taglia
(< 50 kWel)
Luigi Crema
Senior researcher
FBK – REET unit
[email protected]
La micro Cogenerazione
Cos’è?
E’ un sistema che genera da un’unica fonte energetica la produzione di
elettricità e calore
Risulta conveniente laddove entrambe le tipologie energetiche sono sfruttabili
in loco, garantendo maggiore autonomia, maggiore efficienza, maggiore
economicità
Fonte: http://www.geonovis.com
La micro Cogenerazione
Settore di applicazione
La micro cogenerazione trova ideale applicazione a livello distribuito nel
contesto degli Smart Buildings. Il mercato globale delle aziende verdi è
quotato al momento circa 1 trilione di € / anno e si attende che sia tre volte
più grande per il 2030. La regione EU riesce a catturare circa 1/3 del mercato
globale come esportatore netto.
Il mercato globale degli Smart Buildings è valutato a circa 4,7 T€.
(Fonte: A.G. Gaglia et al. “Energy Conversion and Management” 48 (2007) 1160–1175)
Andamento del
mercato relativo a
Green Building e
investimenti
relativi
(Fonte: Lux Reserach)
La micro Cogenerazione
La tecnologia
La tecnologia si applica a
edifici per potenze
inferiori a 5 kW, a piccoli
siti commerciali fra 5 e 10
kW e a siti industriali e
edifici di maggiori
dimensioni nel range tra
10 e 50 kW
Energy
Source
Fonte: http://dcsenergy.com/microchp.php
La micro Cogenerazione
Contesto tecnologico
Cicli Termodinamici – Prime
Movers
- Ciclo di Stirling, range 1 – 100
kWel
- Ciclo Organic Rankine Cycle (ORC),
range 5 kWel – 5 MWel
- Ciclo Brayton, alcuni prototipi di
motori scroll
Sistemi elettrochimici
- Fuel cells (PEM, SOFC, Molten
Carbonate, DMFC, …)
Fonti energetiche
- Combustibili Fossili (Gas Naturale,
Diesel)
- Energia Solare
- Biomasse – Combustione diretta,
gassificazione, pirolisi
- Idrogeno (carrier)
- Geotermia di media entalpia
(>150°C combinata a cicli ORC)
La micro Cogenerazione
Esempi di applicazioni – Combustibili Fossili
I cogeneratori a combustibili fossili
(gas naturale, GPL o Diesel) sono
basati su soluzioni piuttosto
convenzionali di motori a
combustione interna. Generalmente
sono dotati di rendimenti molto
elevati, spesso superiori all’85%.
Tra i produttori:
Honda & Osaka Gas Ecowill,
Volkswagen Ecoblue, Senertec
Dachs, Refcomp REC2
I prezzi variano fra 4.000 e 10.000€
DACHS di Senertec,
offre soluzioni da 5,5
kWel, combustibile: gas
naturale, GPL, diesel o
biodiesel
REC2 di Refcomp
cogeneration, offre
soluzioni da 2 a 65 kWel,
combustibile: gas
naturale o GPL
La micro Cogenerazione
Esempi di applicazioni – Combustibili Fossili
Da alcuni anni si profila l’ingresso sul
mercato di una serie di prodotti di
caldaie a gas naturale integrate di un
motore Stirling, generalmente da 1 a 3
kW. Tale soluzione presenta diversi
inconvenienti, soprattutto economici
Tra i produttori:
Whispergen (NZ), Microgen (UK),
Disenco (UK), Infinia – Rinnai – Enatec
(US, JP, NL)
I prezzi variano fra 6.000 e 15.000€
Altri produttori, con cicli Rankine,
soprattutto ORC, sono: Genlec (1kW),
Climate Energy (3kW), Otag (3kW),
Enginion (5kW), Cogen Micro (2,5kW)
Caldaia Whispergen,
con Stirling da 1 kWel e 6
– 10 kWth
Prezzo in Germania
2010: 14.000€,
supportata da E.ON
Caldaia Microgen, con
Stirling da 1 kWel e 3 –
24 kWth
Non in vendita, previsto
per il 2013 un prezzo di
6-8.000€
La micro Cogenerazione
Esempi di applicazioni – Solare
STIRLING DISH
Componenti principali della tecnologia sono:
• concentratore parabolico solare a disco
• sistema di inseguimento
• ricevitore (scambiatore di calore solare)
• motore di Stirling con generatore
La radiazione solare viene riflessa dal disco all’interno di
una cavità, dove viene assorbita e trasferita a un gas di
carica del motore Stirling (elio) portandolo a circa 600 –
800°C. Tale calore viene converito prima in energia
meccanica e quindi in energia elettrica e termica
Solo Stirling: 10 kWel + 10 kWth e
ricevitore
Prodotti realizzati:
Eurodish: basato su motore Solo Stirling da 10kW
Suncatcher: da SES, su motore Sunpower 25 kW
Sun Machine: su motore Stirling da 5 kW
Trinum di Innova: su motore microgen da 1 kW
Sistemi Eurodish
(Fonte: http://www.fvee.de )
La micro Cogenerazione
Esempi di applicazioni – Solare
STIRLING per APPLICAZIONI DOMESTICHE
Sistemi Stirling per applicazioni domestiche attivati
da energia solare sono di recente sviluppo e tutt’ora
in fase di innovazione. La concentrazione solare di
piccola scala permette di ottenere temperature nel
range 200 – 300 °C, alle quali solo Stirling a basso
salto termico sono adatti
Prodotti realizzati:
Cool Energy: motore Stirling da 1 – 3 kW per
applicazioni tra 200 e 250°C
DiGeSPo: motore Stirling da 3,5 kW per applicazioni
fino a 300°C (maggiori dettagli in seguito)
La micro Cogenerazione
Esempi di applicazioni – Biomasse
I sistemi a
microcogenerazione
alimentati a biomassa o
pellet sono tra i più
sviluppati, o su ciclo Otto
(motori endotermici), o
ciclo Stirling o su ciclo ORC,
con prevalenza dello
Stirling nelle piccolissime
taglie e degli altri a partire
da qualche decina di kWel
Si applicano sia a
combustione diretta che a
gassificazione. Sia a pellet
che altre forme di
combustibili solidi legnosi
Esempio di sistema m-CHP da biomassa tramite ciclo ORC
La micro Cogenerazione
Esempi di applicazioni – Biomasse
Motore della Stirling DK,
da 35 kW per utilizzo con
Biogas o Syngas
Caldaia a Pellet della Okofen,
con Stirling da 1 kW della
Microgen, adattato dalla
versione a gas naturale
Caldaia a Pellet della KWB,
con Stirling da 5 kW della
Stirling Power Module,
attualmente non più in
produzione
Altri produttori sono: Stirling Biopower (43kW), SunMachine, ora Bayer – Raach (3kW)
La micro Cogenerazione
Esempi di applicazioni – Idrogeno e Fuel Cells
Alcune recenti tecnologie propongono sistemi a
Fuel Cell (PEM, SOFC di vario tipo) per co
generazione domestica. Alcune di queste
(SOFCPOWER) vengono direttamente alimentate a
metano, sul quale fanno reforming di idrogeno.
Le taglie sono solitamente dell’ordine di 1–5 kWel
Produttori principali: Vaillant, SofcPower,
BlueGen, Microcell
Impianto di micro cogenerazione della
SOFCPOWER installato presso il comune di
Roncegno Terme (Tn)
Fonte:
ftp://ftp.elet.polimi.it/users/Luca.Ferrarini/tec/WP5.pdf
La micro Cogenerazione
Tecnologie di FBK – REET per gli Edifici
m-CHP da caldaia a
pellet
Luigi Crema, [email protected]
m-CHP da solare a
concentrazione di
piccola scala
Solare a concentraizne di piccola scala
FP7 DiGeSPo project
Modular 1-3 kWe, 3-9 kWth micro Combined Heat and Power (m-CHP) system based on
innovative Concentrated Solar Power (CSP) and Stirling engine technology
electrical power, heating and cooling for single and multiple domestic
dwellings and other small commercial, industrial and public buildings.
The proposed technology is developed in DiGeSPo project, which is partfunded by the European Commission under the Energy Theme of the
Seventh Framework Programme. It’s cooperated by 7 partners coordinated
by FBK itself
Luigi Crema, [email protected]
Research topics
This CSP m-CHP will provide electrical power, heating and cooling for single and multiple
domestic dwellings and other small commercial, industrial and public buildings.
Thermal Fluids
COLLECTOR: OPERATING
TEMPERATURE 300°C,
INVESTIGATION on NEW
SOLUTION WITH NANOPARTICLES
STIRLING: SC NITROGEN
Reflection optics
COLD TEMPERED GLASS
THICKNESS 0,75mm.
Focal distance 20 cm
Aperture 40 cm
Evacuated tube
NEW RECEIVER DESIGN
and NEW CER.MET.
COATING
Cogeneration engine
HIGH ENERGY DENSITY
STIRLING ENGINE. 2-3
kWel ,
6 – 10 kWth
Power Generation
VARIABLE SPEED POWER
GENERATION
Control system
Full integrated control
system
Tracking system
1 axis TRACKING
SYSTEM
Target objectives on
subcomponents
Glass tube
 = 0,96
Cer.Met.
α > 0,93
ε < 0,06
DIRECT SOLAR
RADIATION
3
Concentration
optics
ρ = 0,945
89,
2
88,5
75
THEORETICALLY
CONFIRMED
Stirling
engine
15 - 18
100
VERIFIED
4,0 Radiosity losses
45
ELECTRICAL POWER
THERMAL POWER
1.
17,0 - 20,0 Other
losses – friction,
power generator,
thermal
9,5 Thermal losses
3,7 Glass losses
7,8 Optical losses
2.
3.
4.
METHODOLOGY
THEORETICAL
INVESTIGATION and
MODELLING
(COMPONENTS and
INTEGRATED SYSTEM
LAB TESTS
FULL SCALE PROTOTYPES
OPTIMIZATION and
REDESIGN
Optics and Mirrors
cold tempered flexible glass mirrors, 0,75 mm
in thickness on aluminum substrate

1-axys tracking, moved by a linear actuator
with a stepper motor. The system can move on
the azimuth axis with reduction ratio 1:3600 and
rigid transmission (tracking precision <0,1°)

4 linear parabolas per module (width = 400
mm, length = 2200 mm, focus = 200 mm) which
can rotate around a fixed receiver from -70° to
+70°

Reflectance averaged on solar spectrum =
0,945 (mirror thickness = 0,95 mm)

Design of Absorber and
Receiver
The receiver is a Coaxial Stainless
Steel tube, with a side GlassMetal seal
A Getter material maintains an
internal vacuum = 10-2 Pa
The glass of the vacuum tube is
a soda-lime coated with antireflection layer and provided
of transmittance = 0,96
The tube is provided of internal
designed solutions to avoid high
thin film temperatures
Double Acting, High Energy Density Stirling
Stirling a doppia azione a bassa differneza
di temperatura (lato caldo 300°C – lato
freddo 50°C)
Max Rated Power: 3,3 kWel - 15kWth
Cylinder
and Piston
Compressi
on volume
Efficienza (da Fluido a Albero): 23 %
Pressione di carica: 135 bar
4 cylinder in cross configuration for a
totally balanced mechanical actuation
µ-heat exchangers (heater and cooler)
realized through SLM – selective laser
melting process
Automatic mass equalization among
four different working spaces
Expansion
volume
Total weight 250 kg
Heater
Cooler
Generator
La micro Cogenerazione
m-CHP pellet boiler
Pellet Boiler
water jacket
Exhaust, 80 °C
Stirling engine,
1 kWel, 3 kWth
70 - 75°C
electrical
energy
Water
boiler
55°C
Pre – heating on
Stirling water jacket
Pellet Boiler,
18 kWth
heating and
hot sanitary
water
provision to
the building
Pellet burner
and
combustion
chamber,
650 – 800 °C
40 – 45 °C
20
Luigi Crema, [email protected]
La micro Cogenerazione
Stirling engine and pellet boiler
21
Luigi Crema, [email protected]
Progetto di integrazione
La “CASA FUTURA”
EDIFICIO MODULARE, AD ELEVATA
EFFICIENZA ENERGETICA (< 30
kWh/m2/anno),
SUPPORTATO DA ICT (LA CASA COME
PERSONAL TRAINER), ELEVATO
STANDARD RESIDENZIALE E SOCIALE,
FINESTRE ELETTRO-CROMICHE
SOLAR MODULES
Weather Station
DYNAMIC
WINDOW
SISTEMA SOSTENIBILE INTEGRATO BASATO
SU RISORSE RINNOVABILI IN GRADO DI
FORNIRE ENERGIA ELETTRICA, TERMICA
PER RISCALDAMENTO E
RAFFRESCAMENTO, CONTROLLO DI
ILLUMINAZIONE NATURALE e SISTEMI di
ACCUMULO
HOME as a
PERSONAL TRAINER
Indoor Monitoring
POWER BOX
Thermal storage +
cogeneration pellet
22boiler
Luigi Crema, [email protected]
THANK YOU FOR ATTENTION!!!
Luigi Crema
Senior Researcher at REET
Renewable Energies &
Environmental Technologies
Luigi
Resear
Renew
Fonda
Scientif
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I-38050
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