Cogenerazione, Microcogenerazione e Trigenerazione

La Cogenerazione.
Le tradizionali centrali termoelettriche hanno rendimenti energetici solitamente abbastanza limitati, l’energia termica contenuta nei combustibili fossi e trasformata in energia elettrica può passare, infatti, dal 40% per impianti più datati ad un massimo del 55% per impianti di nuova generazione, mentre la restante parte di energia viene ceduta all’esterno sotto forma di energia termica.
In alcuni casi però, il calore residuo può trovare impiego nell’industria, ad esempio sotto forma di vapore, oppure può essere destinato ad usi civili, come il riscaldamento degli edifici. In questo caso si parla di produzione combinata di energia elettrica e calore o molto più semplicemente di cogenerazione (CHP, Combined Heat and Power production).
La cogenerazione è quindi una tecnologia che, unendo in un unico impianto la produzione di energia elettrica e di calore, sfrutta in modo ottimale l’energia primaria dei combustibili, consentendo di incrementare l’efficienza energetica complessiva di un sistema di conversione di energia, conseguendo allo stesso tempo, con il risparmio energetico, un vantaggio ambientale rispetto alla produzione separata di energia elettrica e calore.
 Figura 1. Produzione combinata di energia elettrica e calore.
Figura 2. Produzione separata della stessa quantità di energia elettrica e calore.
Dalle figure 1 e 2 è facile quantificare il risparmio di carburante fossile, ottenuto nel passaggio alla tecnologia cogenerativa, a fronte delle stesse quantità di energia elettrica e calore prodotti. Nel caso di due impianti convenzionali (figura 2) la quantità di carburante utilizzata risulta essere il circa 1,5 volte quella necessaria ad un impianto di cogenerazione (figura 1).
Naturalmente tale assunto non è rigorosamente esatto e valido per ogni centrale cogenerativa, tuttavia rende un’idea approssimativa del risparmio energetico ottenuto per mezzo del recupero di calore e da cui deriva un importante risparmio economico. L’entità di tale recupero, infatti, dipende dalla tipologia di impianto, dalle condizioni di utilizzo dell’energia elettrica e del calore prodotti e dalle richieste di energia degli utenti che la centrale cogenerativa serve.
La Microcogenerazione.
Finora la produzione cogenerativa è stata prerogativa delle macchine da taglia medio grande su grandi impianti di potenza, ed in particolare di turbine a gas (ciclo semplice e combinato), turbine a vapore e più raramente grandi motori alternativi.
Le perdite di calore, l’energia necessaria per il pompaggio dell’acqua o del vapore nelle reti di trasporto pongono però dei limiti alla distribuzione del calore su grande scala; infatti se effettuata su un’area troppo vasta i vantaggi energetici ottenuti con la produzione combinata si perdono nella distribuzione alle utenze. Le utenze termiche devono perciò concentrarsi in aree limitrofe all’impianto di produzione nonostante il sistema di trasmissione del calore sia efficiente e ben progettato.
Si torna a parlare allora della generazione distribuita, sorella maggiore al pari della cogenerazione, della micro-cogenerazione.
Si è visto nel capitolo precedente come la generazione distribuita offra dei vantaggi non marginali rispetto alla classica generazione elettrica. Riassumendoli brevemente:
– produzione limitata al solo quantitativo di elettricità necessario all’utenza locale;
– impatto ambientale distribuito e non concentrato attorno alla singola centrale;
– assenza di perdite di trasporto sulle reti di distribuzione.
La micro-cogenerazione nasce proprio dagli stessi principi su cui si fondano la cogenerazione e la generazione distribuita, quindi:
– generazione contemporanea di elettricità e calore;
– produzione di energia termica ed elettrica presso le utenze.
La micro-cogenerazione è la cogenerazione su piccola scala; le potenze elettriche vanno come per la generazione distribuita dal kilowatt ai megawatt. Essa è stata per lungo tempo poco praticata, se non a livello di ricerca, principalmente per due motivi: le vantaggiose economie di scala sfruttate dalle grandi turbine da centrale e dai sistemi di trasmissione in alta tensione, i bassi rendimenti elettrici e termici offerti dalle macchine di piccola taglia. Oggi, grazie agli avanzamenti tecnologici permessi della ricerca, la micro-cogenerazione sta trovando sempre più spazio.
La Trigenerazione.
La possibilità di accoppiare ad un impianto di cogenerazione, ed in particolare di micro-cogenerazione, un frigorifero ad assorbimento mostra che vi sono ulteriori potenzialità per sistemi di questo genere. Il frigo ad assorbimento, infatti, è una macchina in grado di sfruttare l’energia termica in uscita da una sorgente calda al posto del lavoro fornito da un compressore per compiere un ciclo frigorifero. Tale energia termica necessaria al frigo ad assorbimento è ovviamente quella in uscita dalla turbina, microturbina, motore o eventualmente altro generatore di potenza dell’impianto cogenerativo.
Un sistema, dunque, comprendente un generatore di potenza, un generatore elettrico, il sistema di recupero dell’energia termica di scarto e un frigorifero ad assorbimento, costituisce un impianto di trigenerazione (spesso identificato dalla sigla inglese CCHP, acronimo di combined cooling, heating and power), in grado di combinare alla produzione di energia elettrica e di calore anche quella di energia frigorifera. Un trigeneratore così costituito, dimensionato correttamente, è in grado di soddisfare oltre che le esigenze elettriche e termiche, anche quelle di raffrescamento, durante al stagione estiva, di un’utenza monofamiliare o di un intero condominio nonché di un edificio commerciale o industriale, ma anche esigenze di refrigerazione di attività produttive industriali o artigiane.
 Figura 3. Trigenerazione. Produzione combinata di energia elettrica,
energia termica ed energia frigorifera.
Estendendo i vantaggi di risparmio energetico riguardo al calore recuperato anche all’energia frigorifera prodotta è evidente ancora di più come una centrale trigenerativa abbia un’efficienza maggiore di quella cogenerativa, specie se si raffronta l’energia primaria spesa con quella che sarebbe necessaria per la produzione delle stesse quantità di energia elettrica ed energia termica a cui va ad aggiungersi anche quella di energia frigorifera.
Il progresso tecnologico, grazie alla costante ricerca nel settore, ha permesso, oggi, di ottenere impianti trigenerativi in grado di offrire rendimenti superiori al 90%, basso impatto ambientale, bassa rumorosità e, grazie all’elettronica, anche grande facilità di utilizzo e gestione. Queste caratteristiche ne permettono l’installazione direttamente nei centri urbani, stravolgendo la logica consolidata e convenzionale della distribuzione su grande scala e fornendo un impulso deciso ad una rapida diffusione della generazione distribuita, per mezzo di impianti di piccole dimensioni, dislocati sul territorio vicino all’utente finale, interconnessi tra loro ed ecologicamente compatibili.
Figura 4. Possibile configurazione di un impianto di trigenerazione.
Vantaggi e svantaggi della trigenerazione.
La produzione combinata di elettricità, calore e all’occorrenza anche di energia frigorifera direttamente nei pressi dell’utenza finale determina indubbiamente notevoli vantaggi:
– risparmio di energia primaria con diminuzione dei costi energetici: il risparmio energetico può attestarsi a valori del 35-40%, questo comporta una importante diminuzione dei costi energetici, soprattutto nel nostro paese dove una grande fetta dell’energia elettrica consumata deve essere importata con costi di gran lunga maggiori rispetto a quella prodotta. In quest’ottica il risparmio di energia diventa la prima fonte strategica di approvvigionamento;
– miglioramento dell’impatto ambientale: le emissioni nocive in atmosfera, in particolare le emissioni di gas serra come la CO2, in virtù del risparmio energetico, sono notevolmente ridotte;
– nessuna perdita di energia elettrica (riversata direttamente nelle linee a bassa tensione) lungo la distribuzione e la trasmissione: come tutti gli impianti di generazione distribuita, l’energia elettrica, essendo utilizzata in loco consente di limitare le inevitabili perdite dovute al trasporto in alta e media tensione;
– maggiore flessibilità operativa e riduzione del rischio black-out: l’allacciamento dei piccoli impianti alla rete può garantire un funzionamento ininterrotto dell’unità, in caso di interruzione del funzionamento dell’impianto o della fornitura energetica dalla rete;
– nessuna perdita di distribuzione del calore: anche in questo caso la produzione in loco permette di evitare perdite di trasporto dell’energia termica;
– le dimensioni ridotte degli impianti consentono esposizioni finanziarie minori e tempi di installazione rapidi, senza alcuna necessità di costruire grandi locali per la centrale tecnologica o grandi opere per la posa di linee elettriche interrate o tralicci;
– possibilità di penetrazione in zone isolate e difficilmente accessibili senza necessità di collegarsi alla rete grazie ad impianti “stand alone”;
– sicurezza di corretto funzionamento e manutenzione programmata;
– costi di gestione e manutenzione pianificabili e programmabili;
– valorizzazione aziendale in correlazione a strategie legate a piani di sviluppo sostenibile.
C’è da sottolineare tuttavia che un impianto di trigenerazione, analogamente ad uno di cogenerazione, è proponibile qualora la domanda di calore è a bassa temperatura: il connesso vantaggio energetico, infatti, è tanto più grande quanto più bassa è tale temperatura, e praticamente svanisce a temperature elevate. Dato che elettricità e calore sono praticamente non accumulabili, la trigenerazione è vantaggiosa solo quando le due domande sono temporanee; poiché il calore si trasporta onerosamente, come pur l’energia elettrica, pur avendo costi di trasporto minori, è importante che le domande di calore ed elettricità si manifestino nello stesso luogo. E’ molto utile non essere costretti a dover trasportare una delle due forme energetiche. Inoltre la trigenerazione comporta un investimento supplementare non indifferente, ed in molti casi un ulteriore costo per il personale di sorveglianza e per la manutenzione. Questi oneri (che sono oneri fissi) devono essere compensati dai vantaggi energetici (che sono vantaggi proporzionali alla produzione) per cui è necessario, per la convenienza dell’operazione, che le domande energetiche si presentino per un elevato numero di ore all’anno.
Infine, vanno menzionati altri due svantaggi:
– ostacoli burocratici ed amministrativi per la costruzione e messa in attività di impianti di questo tipo, dovendosi districare in una selva di leggi e normative spesso non troppo chiare, anche se le autorità preposte molto stanno facendo in questi ultimi anni per incentivare la diffusione di nuovi impianti;
– tecnologie nuove, in continua evoluzione, spesso non consolidate dalla necessaria esperienza sul campo, questo determina sovente, presso gli investitori, la convinzione che sia meglio volgersi verso tecnologie più stabili. Tuttavia una ricerca così vivida e attiva, in grado di produrre continui avanzamenti tecnologici non sempre deve essere considerata come uno svantaggio poiché indica che cogenerazione e trigenerazione sono in grado di offrire grandi potenzialità e margini di miglioramento, laddove già oggi portano molteplici benefici.