Cerca
  • Efficienza energetica
  • Scenario

Cogenerazione: che cos’è e quali sono i vantaggi

Scritto da
Gianluigi Torchiani
Cogenerazione: che cos’è e quali sono i vantaggi

Cos'è la cogenerazione

La cogenerazione è una tecnologia ad alta efficienza energetica che genera elettricità e cattura il calore che altrimenti verrebbe sprecato, per fornire energia termica utile – vapore o acqua calda – che può essere utilizzata per il riscaldamento degli ambienti, il raffreddamento, l’acqua calda sanitaria e i processi industriali. Catturando e utilizzando il calore che altrimenti verrebbe sprecato, ed evitando le perdite di distribuzione, la cogenerazione può raggiungere efficienze superiori all’80%.

Se un’utenza richiede contemporaneamente energia elettrica ed energia termica, anziché installare una caldaia e acquistare energia elettrica dalla rete, si può realizzare un impianto capace di generare in autonomia elettricità cedendo il calore residuo del processo di conversione dell’energia dal combustibile per soddisfare, invece, le esigenze termiche.

Vista da un’altra prospettiva, il calore inevitabilmente dissipato durante il processo di produzione dell’energia elettrica, nel caso della cogenerazione viene invece recuperato per soddisfare il fabbisogno termico diretto o indiretto.

L’elettricità prodotta può invece essere utilizzata per soddisfare la domanda interna oppure può essere ceduta alla rete di distribuzione. Il rendimento della cogenerazione, non a caso, si valuta perciò rispetto alla produzione separata di energia elettrica e termica con un apposito indice di prestazione, chiamato PES – Primary Energy Saving Index.

immagine guida

Le caratteristiche della cogenerazione

La cogenerazione può assicurare un risparmio energetico significativo, con un taglio dei consumi di energia primaria e un minor impatto ambientale. Un altro punto fondamentale, spesso non abbastanza sottolineato a proposito della cogenerazione, è che stiamo parlando di una fonte di generazione distribuita: non esiste, cioè, un numero limitato di pochi mega impianti cogenerativi ma, in un Paese come l’Italia, si contano migliaia di impianti, per lo più collocati all’interno degli stabilimenti industriali.

Che, tra l’altro, forniscono un contributo importante al sistema elettrico come capacità di riserva, in grado cioè di supportare la rete elettrica nei momenti di picco della domanda. Per la sua diffusione ad ampio raggio, la cogenerazione è una fonte di generazione distribuita come il fotovoltaico, nonostante per il funzionamento dei motori cogenerativi al momento vengano impiegate  soprattutto risorse di origine fossile (gas in primo luogo).

Proprio come il solare, inoltre, la produzione energetica degli impianti cogenerazione viene innanzitutto indirizzata per l’autoconsumo, ossia per coprire le esigenze energetiche dei possessori dell’impianto. Non c’è dubbio, però, che un impianto di cogenerazione richieda maggiori investimenti rispetto a una caldaia o a un semplice allaccio alla rete elettrica.

Per compensare questi costi fissi, occorre che le ore di effettivo esercizio a carico nominale siano le più alte possibili; è compito della progettazione incrociare le  caratteristiche prevedibili della domanda di calore ed elettricità con le caratteristiche potenziali dei motori, individuando le opportune modifiche degli impianti dell’utenza capaci di far aumentare il recupero di calore e le ore di esercizio.

Non a caso, uno sviluppo della cogenerazione sempre più utilizzato nel residenziale e nel terziario è quello che affianca, al recupero di calore, la generazione di energia frigorifera, sia tramite assorbitori che attraverso un accoppiamento con le pompe di calore.

 

La cogenerazione industriale

Come funziona un impianto di cogenerazione

Ma come funziona un impianto di cogenerazione? I sistemi di cogenerazione tipicamente bruciano del combustibile (gas naturale, petrolio o biogas) per fare girare i generatori per produrre elettricità e, successivamente, utilizzano dispositivi di recupero del calore per catturare il calore prodotto dalla turbina o dal motore.

Questo calore viene convertito in energia termica utile, solitamente sotto forma di vapore o acqua calda.  Da quello che abbiamo scritto sinora, dunque, appare chiaro che, in quanto a complessità, la cogenerazione non è paragonabile alle fonti rinnovabili: l’adozione di questa tecnologia comporta, infatti, la realizzazione di un progetto complesso e di un investimento di un certo tipo, la cui convenienza economica è fortemente dipendente dal profilo energetico dell’utenza finale. Non a caso, le utenze privilegiate per la cogenerazione sono quelle caratterizzate da una domanda pressoché costante nel tempo di energia termica e di energia primaria. Negli ultimi anni hanno iniziato a diffondersi soluzioni di cogenerazione alimentate a fonti rinnovabili,in particolare biomasse di tipo solido, ma anche liquida (oli vegetali) o gassosa (biogas).

In buona sostanza, invece di utilizzare questa risorsa soltanto per la produzione di energia elettrica, com’è spesso capitato in Italia nello scorso decennio (con un rendimento energetico poco soddisfacente), l’assetto cogenerativo permette di sfruttare anche il calore di scarto, migliorando la performance energetica complessiva.

Le turbine per la cogenerazione

Da rilevare che, a differenza di altri settori dell’energia, la filiera della cogenerazione in Italia è piuttosto sviluppata: esiste cioè un discreto numero di operatori che realizza le tecnologie alla base degli impianti cogenerativi: dai motori a combustione interna alle celle a combustibile, dalle turbine a gas e vapore agli ORC – Organic Rankine Cycle (Ciclo Rankine Organico). Inoltre, anche tutto il resto della filiera (diagnosi, progettazione, realizzazione, manutenzione e gestione degli impianti, etc.) è in gran parte appannaggio degli operatori nostrani.

I vantaggi della cogenerazione

Ma come possono essere sintetizzati i benefici della cogenerazione? Innanzitutto, c’è quello energetico: la cogenerazione, rispetto a quando accadrebbe con una generazione separata, richiede meno carburante per produrre una determinata quantità di elettricità e di calore.

Gli impianti cogenerativi permettono un risparmio di combustibile tra il 10 e il 30% rispetto alla generazione separata. Vengono, inoltre, evitate le perdite di trasmissione e di distribuzione che si verificano quando l’elettricità circola sulle normali reti elettriche, dal momento che la destinazione prevalente è l’autoconsumo.

In questo senso, la cogenerazione può permettere consistenti risparmi sulle bollette energetiche grazie alla sua elevata efficienza intrinseca, che può fornire una copertura contro gli aumenti improvvisi dei costi dell’energia elettrica. Da questo punto di vista, occorre però considerare come la cogenerazione comporti tempi di ritorno dall’investimento medio-lunghi: per il settore industriale e le taglie medio-grandi, la stima è di un pay-back time di 5-6 anni, che si riducono a circa 4 anni grazie agli incentivi statali previsti, in particolare i Certificati Bianchi.

Il tempo di ritorno dipende anche dalle ore di utilizzo dell’impianto. Impianti industriali – in alcuni casi anche civili – che funzionano intorno alle 8.000 ore all’anno, possono avere tempi di ritorno più brevi, intorno ai tre anni, mentre impianti civili, con meno della metà delle ore di funzionamento e taglie minori, hanno inevitabilmente tempi di payback superiori.

In generale, nel Nord Europa le condizioni climatiche richiedono un elevato numero di ore all’anno di riscaldamento, superiore rispetto all’Italia, abbassando ulteriormente i tempi di payback. Inoltre, dal momento che si consuma meno carburante per produrre ciascuna unità di produzione di energia e si evitano le perdite di trasmissione e distribuzione, la cogenerazione riduce le emissioni di gas a effetto serra e altri inquinanti atmosferici.

Un aspetto poco considerato della cogenerazione è la sua capacità di ridurre rischi legati all’interruzione dell’alimentazione dell’energia elettrica dovuti a problematiche di rete. I titolari di impianti di cogenerazione, in caso di disservizi, possono godere di un backup elettrico estremante efficiente. Al punto che, come accennavamo in precedenza, il sistema elettrico nazionale utilizza gli impianti di cogenerazione come capacità di riserva, per reagire prontamente a disservizi e picchi della domanda.

Le tipologie principali di cogenerazione

Ovviamente non esiste un solo modo di fare cogenerazione, ma ci sono diverse tipologie di assetti cogenerativi, che variano in relazione alla struttura utilizzata per realizzare tale processo. Solitamente si usa distinguere tra tre differenti tipologie cogenerative tra le quali ogni progettista è normalmente chiamato ad operare la sua scelta. In particolare per la realizzazione di processi di cogenerazione si usa distinguere tra queste diverse tipologie impiantistiche:

• motori endotermici;
• turbine a gas;
• turbine a vapore;
• celle a combustibile;
• cicli combinati.

 

Come è facile da comprendere ognuna di queste tipologie può essere più o meno utile in base a determinate esigenze energetiche, in funzione delle caratteristiche e condizioni di funzionamento degli impianti aziendali, del grado di efficienza, del rapporto tra energia elettrica e calore erogati e altri elementi peculiari. Lo sviluppo tecnologico della cogenerazione sta comunque portando ad incrementare i rendimenti (ed in particolare quello della produzione di elettricità) di tutte le diverse tipologie e a rendere così più flessibili le diverse applicazioni. In particolare nella microcogenerazione le tecnologie più indicate sono quelle dei motori endotermici alternativi (si tratta di motori alternativi a combustione interna con configurazione a ciclo Otto o Diesel) e delle turbine a gas. Al contrario per le utenze industriali piccole e medie (ovvero impianti fino a qualche MW di potenza elettrica) può essere impiegata anche la tecnologia delle turbine a vapore.

 

Da un punto di vista tecnico, nei motori a combustione interna fase di produzione di elettricità è legata alla produzione di energia meccanica (movimento del pistone prodotto dall’accensione del combustibile all’interno del cilindro) e l’energia termica può essere ricavata direttamente dal motore (attraverso il circuito di raffreddamento) e dai gas di scarico.

Nei sistemi di cogenerazione con motori a combustione interna si ha perciò la possibilità di avere due flussi di calore distinti (e quindi più facilmente adattabili ad esigenze termiche differenziate): nel circuito di raffreddamento del motore si raggiungono temperature tra i 90 e 120°C, mentre nei gas di scarico si arriva a livelli pari a 400-700°C (e anche maggiori nei motori diesel). Da rilevare che a causa delle problematiche ambientali legate l’uso di gasolio, l’impiego dei motori diesel è ormai limitato ai casi in cui non sia disponibile il gas naturale, sebbene questi presentino rendimenti elettrici migliori rispetto a quelli a ciclo otto.

In ambito industriale la tecnologia principe è quella delle turbine a gas, che ormai è diventata interessante anche per gli impianti di piccola taglia. La produzione di energia elettrica deriva dalla fase di espansione dei gas di combustione che si realizza in turbina (il lavoro meccanico viene tradotto in energia elettrica da un generatore connesso con l’asse della turbina) mentre il recupero di calore interessa i gas di combustione scaricati dal sistema (che raggiungono temperature attorno a 450-600°C).

Nel caso delle turbine a vapore la turbina viene fatta lavorare, con produzione di energia elettrica, mediante alimentazione con vapore ad alto contenuto energetico (alta temperatura e pressione): il vapore può essere compresso da pochi bar fino a pressioni di circa 100 bar e surriscaldato da pochi gradi a circa 450°C, arrivando in alcuni casi anche vicino ai 540°C. L’energia termica per l’utenza può essere estratta dal sistema, in funzione delle specifiche esigenze, sia mediante spillamenti di vapore dalla turbina sia dal vapore esausto che viene scaricato al termine del ciclo di lavoro (attraverso uno scambiatore di calore). In relazione alle differenti condizioni di temperatura del vapore in uscita dalla turbina si possono avere due sistemi diversi tra loro.

Nel caso del ciclo combinato, esiste la pratica diffusa da parte degli operatori nazionali di installare tale tecnologia presso utenze caratterizzate da una ridotta richiesta termica rispetto al fabbisogno elettrico oppure, nel caso in cui l’obiettivo principale sia la produzione elettrica per l’esportazione verso la rete, con possibilità di ottimizzare l’efficienza sfruttando le utenze termiche localizzate presso l’area predisposta per la produzione di energia elettrica.

Infine, per quanto riguarda gli impianti di piccola taglia, le celle a combustibile rappresentano la tecnologia emergente. In buona sostanza si tratta di un dispositivo elettromeccanico che converte l’energia chimica del combustibile direttamente in elettricità, senza stadi intermedi di combustione e produzione di lavoro meccanico.

Scritto da
Gianluigi Torchiani