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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.

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.

Cogenerazione dettaglio tubi
Tubi che convogliano i fumi e i vapori di un impianto di cogenerazione

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.

Motori cogenerativi: le turbine
Dettaglio delle turbine, che costituiscono il cuore dei motori ad assetto cogenerativo

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

Impiantistica della cogenerazione
Tubi che trasportano il vapore sfruttato dagli impianti di cogenerazione

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.

Impianti di cogenerazione per le aziende

La cogenerazione è una tecnologia strettamente connessa alle necessità del mondo produttivo e industriale. Le applicazioni presso la Pubblica amministrazione sono, infatti, sostanzialmente inesistenti, mentre invece quelle per il mondo civile e terziario (soprattutto micro cogenerazione e piccola cogenerazione) stanno iniziando a prendere piede soltanto negli ultimi anni.

L’applicazione di questa tecnologia può consentire infatti di ridurre i costi operativi di approvvigionamento energetico, nonché l’impatto ambientale e le emissioni (che per le imprese soggette al meccanismo ETS rappresenta una vera e propria spesa).

Quando la cogenerazione conviene

Ovviamente non tutte le aziende industriali hanno effettivamente necessità di investire nella cogenerazione: innanzitutto se non si hanno ingenti consumi sia di elettricità che di gas è inutile pensare a un investimento di questa natura, dal momento che la cogenerazione non è altro che la produzione combinata di elettricità ed energia termica.

Esistono poi altri tipi di freni/rischi che devono essere considerati dalle aziende quando si progetta di investire nella cogenerazione: innanzitutto l’evoluzione delle tariffe del gas naturale e dell’energia elettrica. È chiaro che, in un contesto come quello attuale (fatto di prezzi energetici in discesa), la convenienza di produrre in autonomia la propria energia si riduce non di poco.

Un’altra possibilità da considerare, specialmente in un Paese come l’Italia, è l’evoluzione della normativa sulla cogenerazione, che potrebbe essere soggetti a cambiamenti persino retroattivi, tali da incidere sull’investimento delle aziende. O onor del vero, però, la normativa sulla cogenerazione è rimasta negli anni abbastanza stabile, a differenza di quanto accaduto per le energie rinnovabili.

Il rischio vero, piuttosto, è legato al valore nel tempo dei Certificati Bianchi, ovvero lo strumento di incentivazione della cogenerazione, che negli anni è stato sottoposto a diverse oscillazioni.

Ci sono poi delle caratteristiche di natura tecnica che occorre considerare quando si prende in esame la cogenerazione: nonostante la maturità di questa tecnologia, la realizzazione effettiva di un progetto – specialmente in ambito industriale – non è semplice ed è certo superiore rispetto a quella di altre fonti di generazione (pensiamo ad esempio al fotovoltaico).

Non solo: per la corretta manutenzione e gestione in esercizio occorre rivolgersi a personale qualificato, fattore che inevitabilmente comporta dei costi in termini di tempo e di risorse impiegate. Inoltre, le difficoltà burocratiche possono scoraggiare non poche aziende dagli investimenti nella cogenerazione, a causa di un iter autorizzativo  che può apparire complesso e articolato.

I tempi di payback della cogenerazione

La realizzazione effettiva di un impianto di cogenerazione coinvolge poi figure estremamente differenti (con le quali è necessario rapportarsi) come fornitori, progettisti, installatori e – talvolta – ESCO.

Fatte tutte queste tare, occorre comunque considerare che, tipicamente, in assenza del sostegno statale- il ritorno dall’investimento in un impianto di cogenerazione per l’industria si aggira intorno ai 5-6 anni, mentre di norma queste aziende non prendono in considerazione operazioni con payback superiori ai 3-4 anni.

Come abbiamo detto in precedenza, la variabile che può influire in misura significativa sui tempi di payback è rappresentata dal prezzo del gas, ovvero il combustibile impiegato in quasi tutti gli impianti cogenerativi di tipo industriale. In questa fase, però, il prezzo di questa risorsa tende verso il basso, non favorendo quindi gli investimenti delle aziende in cogenerazione.

Gli incentivi per la cogenerazione

CAR, la cogenerazione ad alto rendimento
Impianto industriale che utilizza la cogenerazione ad alto rendimento per l’autoprodouzione energetica

A fare la differenza, dunque, oggi più che mai sono gli incentivi a disposizione: in Italia i Certificati bianchi sono riconosciuti a tutti quegli impianti di cogenerazione che ottengono la qualifica CAR, ovvero cogenerazione ad alto rendimento. Un’unità di cogenerazione è definita ad alto rendimento se il valore del risparmio di energia primaria (PES) che ne consegue è almeno del 10% oppure, nel caso di unità di micro-cogenerazione (< 50 kWe) o piccola cogenerazione (< 1 MWe), se assume un qualsiasi valore positivo. Il GSE, Gestore dei Servizi Energetici, provvede annualmente al riconoscimento a consuntivo del funzionamento CAR e, per le unità di cogenerazione che lo richiedono, al successivo riconoscimento del numero di Certificati Bianchi cui hanno diritto.

La normativa sulla cogenerazione

Lo sviluppo della cogenerazione è estremamente intrecciato con quello delle normative italiane ed europee in materia di efficienza energetica e autoproduzione. In particolare, la prima regolamentazione che ha fatto chiarezza su questa tecnologia è stata la direttiva n. 2004/8/CE, che si proponeva di creare un quadro per la promozione e lo sviluppo, nel mercato interno, definendo la cosiddetta Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR), a sua volta basata sulla domanda di calore utile e sul risparmio di energia primaria.

Questa direttiva, inoltre, ha normato il concetto di calore utile, descrivendolo come il calore prodotto in un processo di cogenerazione per soddisfare una domanda economicamente giustificabile, cioè una domanda non superiore al fabbisogno di calore, che sarebbe altrimenti soddisfatta a condizioni di mercato mediante processi di generazione di energia termica diversi dalla cogenerazione.

Cogenerazione a biomasse
Impianto di cogenerazione alimentato a biomasse

La direttiva 2004/8/CE è stata successivamente abrogata dalla direttiva 2012/27/UE sull’efficienza energetica, che ha però lasciato invariati i principi relativi alla definizione della CAR e dell’energia elettrica “quantificabile come cogenerativa”. Nel mezzo è intervenuto il decreto ministeriale del 4 agosto 2011, che ha definitivamente stabilito i criteri per il riconoscimento della condizione di CAR, recependo sostanzialmente quando stabilito dalla direttiva 2004/8/CE.

Viene insomma ribadito che la cogenerazione ad alto rendimento può essere definita tale quando la produzione combinata di energia elettrica e calore utile è in grado di fornire un risparmio di energia primaria pari almeno al 10% rispetto ai valori di riferimento per la produzione separata di elettricità e di calore.

Il ruolo del GSE

Ma perché la cogenerazione ad alto rendimento è così importante? Sostanzialmente si tratta della chiave per accedere all’incentivazione dei Certificati Bianchi. In tutto questo il GSE, Gestore dei servizi energetici, gioca un ruolo chiave, dal momento che provvede al riconoscimento del funzionamento in CAR per le unità di cogenerazione che lo richiedono.

Da notare, a questo proposito, che il risparmio di energia primaria che la cogenerazione permette di ottenere deve essere calcolato per l’intero anno di rendicontazione. Inoltre è sempre il GSE a determinare il numero di certificati bianchi cui hanno diritto le unità riconosciute CAR che abbiano presentato richiesta di incentivo.

Qualora il produttore ne faccia richiesta, il GSE deve procedere al ritiro dei Certificati bianchi a un prezzo pari a quello vigente alla data di entrata in esercizio dell’unità. Infine il GSE svolge attività di verifica e controllo sugli impianti incentivati, comunicando al Ministero dello Sviluppo Economico e al produttore l’esito finale delle ispezioni.

Gli altri incentivi per la cogenerazione

I Certificati Bianchi non rappresentano però l’unico incentivo di cui possono beneficiare gli impianti di cogenerazione: questi ultimi, così come tutti i sistemi di autoproduzione elettrica possono godere di una parziale defiscalizzazione dell’accisa sul combustibile utilizzato.

In particolare, per il gas naturale (che è di gran lunga il combustibile più impiegato nella cogenerazione) non viene applicata l’accisa su 0.22 Nm3 di gas ogni kWhel prodotto. Inoltre tutto il gas utilizzato risulta defiscalizzato se l’impianto ha un rendimento elettrico maggiore o uguale al 46%.
Occorre poi considerare che un impianto di cogenerazione, se soddisfa i criteri delle delibere dell’Autorità dell’energia, può godere – così come gli impianti a fonte rinnovabile – del diritto alla priorità di dispacciamento. Che sostanzialmente consiste nella priorità – rispetto agli impianti termoelettrici tradizionali – nel ritiro da parte del GSE dell’energia elettrica ceduta alla rete.

Quello del ritiro dell’elettricità è un tema molto importante per la normativa sulla cogenerazione: un altro incentivo indiretto è il cosiddetto “Scambio sul posto, che viene riconosciuto agli impianti Car sotto i 200 kWe di potenza. In buona sostanza, con lo Scambio sul posto il GSE riconosce una parziale compensazione economica che valorizza la differenza tra il prezzo riconosciuto all’energia immessa in rete (più basso) e quello corrisposto per l’elettricità prelevata (più alto), comprensiva degli oneri accessori per l’accesso alla rete.

Sino al 2015 gli  impianti di cogenerazione alimentati a biomasse avevano la possibilità di accedere a una ulteriore incentivazione, quella dei Certificati Verdi, per quanto riguarda la sola produzione di energia elettrica. Per gli impianti già esistenti, il supporto è stato sostituito con una speciale tariffa incentivante sul MWH prodotto, il cui valore è stabilito ogni anno dall’Autorità.

Infine, è importante notare come esista una concreta possibilità di incentivazione anche per gli impianti di micro cogenerazione, vale a dire quelli utilizzati prevalentemente in ambito residenziale. In particolare, per gli interventi che prevedono la sostituzione di impianti termici con la microcogenerazione, esiste la possibilità di accesso all’Ecobonus fiscale del 65% sull’efficienza energetica, fino a un massimo di 100.000 euro.

Scritto da
Gianluigi Torchiani