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sabato 6 settembre 2014

Analisi economica sulla cogenerazione domestica

In una caldaia cogenerativa il calore ad alta temperatura che si libera nella combustione viene parzialmente convertito in energia elettrica e in calore a temperatura più bassa ma ancora sufficiente per il riscaldamento e/o gli usi sanitari.
Si analizza in questa sede uno scenario domestico in cui il carburante bruciato è il gas naturale e l’efficienza di conversione termoelettrica è pari al 10%.
Il prezzo attuale del gas naturale per il riscaldamento e la cottura dei cibi (tariffa per i clienti privati) è pari a circa 1,00€/m³. Arrotondando per comodità il potere calorifico del gas naturale a 10kWh/m³ il prezzo dell’energia termica derivante dalla combustione del gas naturale risulta essere di 0,10Euro/kWh.
Nell’ipotesi di efficienza termoelettrica al 10%, per generare 1kWh di elettricità servono 10kWh e pertanto è necessaria la combustione di 1m³ di gas naturale.
L’assetto non cogenerativo, ovvero la mancata utilizzazione del calore residuo, comporterebbe un costo di produzione dell’energia elettrica di 1,00Euro/kWh derivante dal solo combustibile. Essendo tale valore nettamente superiore a quello offerto dal gestore nazionale che è di 0,20÷0,30Euro/kWh, risulta che la sola generazione elettrica con efficienza al 10% non è economicamente competitiva nei luoghi serviti dalla rete distributiva.
Si noti che il pareggio economico in assetto non cogenerativo viene raggiunto quando l’efficienza tocca il 33% per un costo di 0,30Euro/kWhel e il 50% per un costo elettrico di 0,20Euro/kWhel.
L’uso in assetto cogenerativo prevede l’esistenza contemporanea di un’utenza elettrica e di un’utenza termica.
Poiché la caldaia produce circa 9 parti di calore per ogni parte di energia elettrica generata, l’utilizzo ottimale si concretizza quando le due utenze sono nel rapporto di 9:1.
In una situazione reale per un ambito domestico entrambi i fabbisogni subiscono forti variazioni nel tempo e mediamente l’utenza termica domestica oscilla fra 0kW e 20kW mentre quella elettrica fra 0kW e 3kW.
Parlando di consumi giornalieri, la componente elettrica si mantiene abbastanza costante nel corso dell’anno e si assesta normalmente fra 10kWh/gg e 20kWh/gg. La componente termica invece subisce una forte influenza stagionale passando da 1-2kWh/gg per gli usi sanitari durante il periodo estivo (200gg/anno) a un valore nettamente superiore che dipende dalla superficie riscaldata in ragione di circa 1kWh/(gg·m²) nel corso della stagione invernale (150gg/anno). Il consumo giornaliero specifico e la durata del riscaldamento dipendono dalla fascia climatica e i valori riportati sono relativi al Nord Italia.
Si intuisce facilmente che l’assetto cogenerativo ha senso solo in inverno in quanto è l’unico periodo dell’anno in cui il rapporto fra le due utenze è compatibile con quello della caldaia cogenerativa.
La discontinuità della richiesta termica sul breve periodo (alcune ore) può essere livellata con l’impiego di un puffer di accumulo ad acqua calda il cui dimensionamento dipende ovviamente dall’andamento della domanda. Questo approccio rende accessibile la possibilità di pilotare la caldaia cogenerativa con inseguimento del carico elettrico almeno finché il puffer è in grado di ricevere il calore in esubero rispetto alla richiesta termica.
Un rapporto fra l’utenza termica e l’utenza elettrica mediamente superiore a 9 comporta un esubero di produzione elettrica che potrà essere venduta al gestore con scambio sul posto. Il prezzo attuale offerto dal gestore è di circa 0,10Euro/kWh.
Un rapporto fra l’utenza termica e l’utenza elettrica mediamente inferiore a 9 comporta un difetto di produzione elettrica che potrà essere compensato attingendo dalla rete del gestore.
L’esempio numerico proposto di seguito mostra che la differenza fra la bolletta energetica per un sistema con caldaia tradizionale e gestore elettrico e la bolletta energetica per un sistema con caldaia cogenerativa al 10% di efficienza termoelettrica e scambio sul posto con il gestore elettrico ammonta a poco più di 100Euro/anno. Tale stima rappresenta il risparmio annuale che si avrebbe adottando l’impianto cogenerativo ed è stata ottenuta senza tener conto di eventuali incentivi.
La modesta entità dell’importo dovrebbe far riflettere sull’importanza del confronto fra i costi di acquisto dell’impianto. A parità di altre spese (per esempio quelle derivanti dalle manutenzioni programmate e straordinarie), un incremento di 1000Euro sul prezzo di acquisto per la soluzione cogenerativa determina un tempo di rientro di una decina d’anni.
I calcoli grossolani proposti sollevano dubbi concreti sulla reale convenienza economica di un impianto cogenerativo a gas naturale con efficienza termoelettrica del 10%.

ESEMPIO NUMERICO


DATI GENERALI
Inverno
Fabbisogno termico giornaliero invernale: 150kWh/gg
Durata periodo invernale: 150gg/inverno
Fabbisogno termico invernale: 150gg/inverno·150kWh/gg = 22500kWh/inverno
Fabbisogno elettrico: 10kWh/gg (indipendente dalla stagione)
Fabbisogno elettrico invernale: 150gg/inverno·10kWh/gg = 1500kWh/inverno
Estate
Fabbisogno termico giornaliero estivo: 2kWh/gg
Durata periodo estivo: 200gg/estate
Fabbisogno termico estivo: 200gg/estate·2kWh/gg = 400kWh/estate
Fabbisogno elettrico: 10kWh/gg (indipendente dalla stagione)
Fabbisogno elettrico estivo: 200gg/estate·10kWh/gg = 2000kWh/estate

CALDAIA TRADIZIONALE E GESTORE ELETTRICO
Inverno
Consumo invernale gas naturale: 22500kWh/inverno / 10kWh/m³ = 2250m³/inverno
Controvalore consumo invernale gas naturale: 2250m³/inverno·1,00Euro/m³ = 2250Euro/inverno
Controvalore consumo elettrico invernale da gestore: 1500kWh/inverno·0,20Euro/kWh = 300Euro/inverno
Totale spesa invernale: 2550Euro/inverno
Estate
Consumo estivo gas naturale: 400kWh/estate / 10kWh/m³ = 40m³/estate
Controvalore consumo estivo gas naturale: 40m³/estate·0,10Euro/m³ = 40Euro/estate
Controvalore consumo elettrico estivo da gestore: 2000kWh/estate·0,20Euro/kWh = 400Euro/estate
Totale spesa estiva: 440Euro/estate
COMPLESSIVO
Totale spesa energetica annuale: 2990Euro/anno

CALDAIA COGENERATIVA AL 10% E SCAMBIO SUL POSTO CON GESTORE ELETTRICO
Inverno
Consumo invernale gas naturale: 22500kWh/inverno / ( 0,9·10kWh/m³ ) = 2500m³/inverno
Controvalore consumo invernale gas naturale: 2500m³/inverno·1,00Euro/m³ = 2500Euro/inverno
Produzione elettrica invernale: 0,10·150kWh/gg = 15kWh/gg
Autoconsumo: 10kWh/gg
Esubero elettrico giornaliero invernale venduto al gestore: 5kWh/gg
Esubero elettrico invernale venduto al gestore: 150gg/inverno·5kWh/gg = 750kWh/inverno
Controvalore esubero elettrico invernale: 750kWh/inverno·0,10Euro/kWh = 75Euro/inverno
Consumo elettrico giornaliero invernale da gestore: 0kWh/gg
Consumo elettrico invernale da gestore: 150gg/inverno·0kWh/gg = 0kWh/inverno
Controvalore consumo elettrico invernale da gestore: 0kWh/inverno·0,20Euro/kWh = 0Euro/inverno
Totale spesa invernale: 2425Euro/inverno
Estate
Consumo estivo gas naturale: 400kWh/estate / (0,9·10kWh/m³) = 44m³/estate
Controvalore consumo estivo gas naturale: 44m³/estate·0,10Euro/m³ = 44Euro/estate
Produzione elettrica estiva: 0,2kWh/gg
Autoconsumo: 0,2kWh/gg
Esubero elettrico giornaliero estivo venduto al gestore: 0kWh/gg
Esubero elettrico estivo venduto al gestore: 200gg/estate·0kWh/gg = 0kWh/estate
Controvalore esubero elettrico estivo: 0kWh/estate·0,10Euro/kWh = 0Euro/estate
Consumo elettrico giornaliero estivo da gestore: 9,8kWh/gg
Consumo elettrico estivo da gestore: 200gg/estate·9,8kWh/gg = 1960kWh/estate
Controvalore consumo elettrico estivo da gestore: 1960kWh/estate·0,20Euro/kWh = 392Euro/estate
Totale spesa estiva: 436Euro/estate
COMPLESSIVO
Totale spesa energetica annuale: 2861Euro/anno

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Considerazioni sulla generazione elettrica

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INDICE DEI CONTENUTI

I. GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA
30. Considerazioni sulla generazione elettrica
90. Analisi economica sulla cogenerazione domestica
26. L'alternatore lineare

II. GAS IDEALI: DALLE TRASFORMAZIONI AI MOTORI
1. L'equazione di stato dei gas perfetti: istruzioni per l'uso
3. P·V=n·R·T: considerazioni laterali
13. La trasformazione isocora
14. La trasformazione isoterma
15. La trasformazione isobara
16. La trasformazione adiabatica
65. La trasformazione isoentalpica
83. Confronto fra i processi isotermici e i processi isoentropici
2. Trasformazioni isocore e trasformazioni isobare: considerazioni sugli scambi energetici
4. Trasformazioni isoterme e trasformazioni adiabatiche: considerazioni sugli scambi energetici
74. Efficienza di un compressore commerciale - Episodio 1
75. Efficienza di un compressore commerciale - Episodio 2
76. Lavoro massimo ottenibile dall'aria compressa
91. Energia potenziale meccanica di un gas
5. Il ciclo di Carnot
12. Il trasferimento del calore
6. Il rigeneratore di calore
7. Il rigeneratore di calore - Parte seconda
28. Il rigeneratore di calore: basi teoriche
29. Dimensionamento del rigeneratore di calore
8. Il ciclo di Stirling
9. Efficienza del rigeneratore di calore e rendimento del ciclo di Stirling
10. Il ciclo di Brayton
11. Ciclo di Brayton: considerazioni su rendimento e lavoro utile
17. Il motore di Cayley free piston - Episodio 01
18. Il motore di Cayley free piston - Episodio 02
19. Il motore di Cayley free piston - Episodio 03
20. Il motore di Cayley free piston - Episodio 04
21. Il motore di Cayley free piston - Episodio 05
22. Il motore di Cayley free piston - Episodio 06
23. Il motore di Manson free piston - Episodio 07
24. Il motore di Manson free piston - Episodio 08
25. Il motore di Manson free piston - Episodio 09
27. Efficienza del rigeneratore e rendimento del motore di Manson
31. Il motore di Manson free piston - Episodio 10
32. Il motore di Manson free piston - Episodio 11
33. Il motore di Manson free piston a doppio effetto
34. Il motore di Manson LTD
35. Stufa con recupero termico
37. Il motore di Cayley free piston a doppio effetto
38. Il motore di Cayley free piston a doppio effetto - Seconda versione
39. Motore di Cayley e motore di Manson: considerazioni laterali
85. Falsi motori

III. DALL'ACQUA AL VAPORE
36. L'heat pipe
40. La tensione di vapore dell'acqua
41. Gli scambi termici dell'acqua liquida
42. Gli scambi termici nella vaporizzazione dell'acqua
43. Gli scambi termici dell'acqua a pressione costante
44. Cp dell'acqua vaporizzata: considerazioni laterali
45. La densità dell'acqua
46. Densità del vapore acqueo: considerazioni laterali
47. Il ciclo isobaro-isocoro del vapore
48. Entalpia ed energia interna
49. L'espansione adiabatica del vapore saturo - Episodio 01
50. L'espansione adiabatica del vapore saturo - Episodio 02
51. Il ciclo Rankine del vapore saturo
52. Il ciclo Rankine del vapore surriscaldato
53. L'espansione adiabatica del vapore nel diagramma di Mollier
54. Il Colibrì
55. Raccolta di link sui motori Uniflow
56. Motore a vapore con distributore a cassetto
58. Colibrì free piston a doppio effetto di tipo A
59. Colibrì free piston a doppio effetto di tipo B
60. Il ciclo termodinamico del Colibrì
61. Il Colibrì a vapore
62. Il lavoro di pompaggio nel Colibrì a vapore
63. Colibrì Vs Uniflow Vs Rankine
64. Colibrì Vs Uniflow Vs Rankine: considerazioni laterali
66. La trasformazione isoentalpica del vapore
67. Energia potenziale meccanica dei gas
68. Energia potenziale meccanica dei gas - Seconda Parte
69. L'energia potenziale meccanica del vapore saturo
70. Efficienza termomeccanica del vapore saturo
71. Efficienza termomeccanica del vapore surriscaldato
72. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 1
73. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 2
77. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 3
86. Il Colibrì è in realtà un leone
88. Ricerche sull'anteriorità del lion-Powerblock
89. The Una-flow Steam-engine (1912)
92. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 4
93. The Una-flow Steam-engine - Capitolo I
94. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 5
97. Il Colibrì – Descrizione dell’Idea
98. Il Colibrì – Contesto Commerciale
99. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE I
100. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE II
101. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE III
102. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE IV
103. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE V
104. Il Colibrì – Campi di Applicazione
105. Il Colibrì – Punti di Forza
106. Il Colibrì – Svantaggi

IV. RICERCA DI FRONTIERA
57. Considerazioni economiche sull'E-cat di Andrea Rossi
78. Dal compressore elettrochimico al catodo cavo di Arata/Celani
84. Il mondo non viene assimilato; viene fatto - Sir Karl Raimund Popper (1902 - 1994)
87. Speculazioni, azzardi e previsioni sulla fusione fredda
96. E-Cat e dintorni
107. E-Cat e dintorni
109. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Introduzione
110. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Il ciclo operativo
111. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Contributo al COP delle varie fasi del ciclo
112. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sulla termodinamica e sulla cinetica
113. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sui requisiti termici e sulle tempistiche
114. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sull’importanza del rapporto fra la superficie e il volume del metallo
115. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sulle critiche al COP>2 e alla perdita di controllo della reazione
116. Teoria per l'unificazione della materia e della radiazione
117. Considerazioni laterali sulla radiazione elettromagnetica
118. Il propulsore fotonico
119. Materia e radiazione elettromagnetica: consigli per la ricerca
120. Scienza Laterale e Spazionica uniti nella ricerca
121. Dalla relazione di Einstein alla massa radiante
122. Considerazioni sulla relazione di Einstein
123. Fusione nucleare calda o fusione nucleare fredda?
124. Hot nuclear fusion or cold nuclear fusion?
125. Stima del cammino libero medio
126. Mean free path evaluation
127. Dematerializzazione
128. Dematerialisation
129. Carica elettrica relativistica
130. Relativistic electric charge
131. Ragionamenti sulla carica elettrica relativistica
132. Reasoning on the relativistic electric charge
133. Conduzione elettrica nei gas
134. Electric flow in gases