Impianti di cogenerazione: componenti, vantaggi e indici prestazionali

Tradizionalmente, energia elettrica ed energia termica vengono prodotte separatamente: per la produzione di elettricità vengono impiegate centrali termoelettriche che disperdono nell’ambiente energia termica a bassa temperatura, mentre per la produzione di energia termica si utilizzano generatori i quali, mediante la combustione, trasformano l’energia primaria ad elevato valore termodinamico (il combustibile) in energia termica.

Un’utenza, generalmente, abbisogna contemporaneamente sia di energia elettrica che di energia termica e pertanto, anziché installare un generatore ed acquistare energia elettrica dalla rete, sono stati sviluppati sistemi in grado di produrre entrambe le risorse energetiche, i cosiddetti impianti cogenerativi. La cogenerazione (o CHP dall’acronimo inglese Combined Heat and Power) è la produzione combinata di energia elettrica e calore che avviene in cascata in un unico impianto: l’energia elettrica proviene da impianti motori termici nei quali il calore, attraverso un ciclo termodinamico, viene convertito dapprima in energia meccanica e quindi in energia elettrica mediante generatori elettrici. In questo processo di trasformazione, non tutto il calore può essere trasformato in lavoro, una parte di esso, infatti, necessita di essere scaricato o dissipato (sottoforma di vapore o fumi di scarico) per consentire il funzionamento dell’impianto stesso: il recupero della porzione di calore in eccesso rappresenta il fulcro della cogenerazione, ossia il processo che permette di trasformare uno “scarto di processo” in energia termica utile.

Elementi degli impianti di cogenerazione

Schematizzando, gli elementi di un impianto di cogenerazione sono:

• Motore primo,
• Generatore elettrico che, mosso dall’impianto motore, converte l’energia meccanica in elettricità,
• Scambiatori di calore i quali svolgono la funzione di recupero del calore.

Le tipologie fondamentali di impianti di cogenerazione si differenziano per il tipo di motore primo adottato; i più utilizzati e consolidati sono:

• Motori a combustione interna;
• Turbine a gas;
• Turbine a vapore;
• Impianti a ciclo combinato turbina a gas/turbina a vapore;

meno diffusi, tecnologicamente più avanzati, sono i più moderni:

• Turbogeneratori ORC (Organic Rankine Cycle);
• Microturbine;
• Impianti con celle a combustibile (fuel-cells);
• Impianti con motori Stirling.

In un sistema cogenerativo, inoltre, è possibile impiegare svariati tipi di combustibile (energia primaria):

• Di origine fossile (gas naturale, gasolio, olio combustibile, carbone);
• Derivanti da rifiuti (solidi o biogas);
• Provenienti da biomasse (cippato, scarti agricoli e forestali).

Il gas naturale e il biogas sono più adatti per motori a combustione interna e per turbine e microturbine a gas, il carbone e le biomasse legnose sono adatti per le grandi turbine a vapore o per i turbogeneratori ORC.

Scopo della cogenerazione, quindi, è quello di ottimizzare, sfruttandolo al massimo, il potenziale di energia contenuta nel combustibile. 

Vantaggi della produzione in cogenerazione

Rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e calore, la produzione combinata in cogenerazione, se efficace, comporta i seguenti vantaggi:

• Risparmio economico conseguente al minor consumo di combustibile

Per dimostrare tale risparmio è utile un esempio teorico, ma tuttavia efficace, di confronto basato sulle unità di energia primaria utilizzata nel ciclo combinato (cogenerativo) e nel ciclo separato (tradizionale): si supponga di produrre con un impianto cogenerativo, partendo da 100 unità di combustibile, 35 unità di energia elettrica (media dell’energia elettrica effettivamente prodotta da un impianto di sola produzione di energia elettrica) e 50 unità di calore utile; il rendimento termodinamico complessivo di conversione, ossia il rapporto tra l’energia utile prodotta (35 unità di energia elettrica + 50 unità di energia termica) e l’energia primaria del combustibile utilizzato (100 unità), risulta essere pari all’85%.

Nella produzione separata, le stesse 35 unità di energia elettrica con una centrale termoelettrica avente un rendimento elettrico di circa il 40% consumeranno, in proporzione, un quantitativo di energia primaria pari 87,5 unità, mentre per l’ottenimento delle 50 unità di calore utile con una generatore avente un rendimento termico pari a circa l’80% si consumeranno 62,5 unità di combustibile primario: sommando aritmeticamente le unità di combustibile primario utilizzato per l’ottenimento dei medesimi quantitativi di energia si ottiene che il ciclo separato richiede 150 unità contro le 100 del ciclo cogenerativo, pertanto il risparmio di energia primaria conseguito mediante la cogenerazione si aggira attorno al 28%.

• Riduzione dell’impatto ambientale, c​onseguente sia alla riduzione delle emissioni in atmosfera, che al minor rilascio di calore residuo nell’ambiente, ciò si traduce in minore inquinamento atmosferico e minore inquinamento termico (surriscaldamento);
• Minori perdite di trasmissione e distribuzione dell'energia per il sistema elettrico nazionale, conseguenti alla localizzazione degli impianti in prossimità dei bacini di utenza o all’autoconsumo dell’energia prodotta;
• Sostituzione di modalità di fornitura del calore meno efficienti e più inquinanti quali generatori, sia per usi civili sia industriali, caratterizzati da più bassi livelli di efficienza, elevato impatto ambientale e scarsa flessibilità relativamente all’utilizzo di combustibili.

È importante sottolineare che non tutto il calore dissipato può essere recuperato, una porzione viene comunque dispersa anche nel ciclo di produzione combinata.

Indici prestazionali per gli impianti di cogenerazione

Un impianto può essere definito cogenerativo solo se soddisfa una serie di indici prestazionali definiti dall’Autorità di Regolazione per Energia Reti e Ambiente (ARERA), introdotti per far sì che ci sia un effettivo risparmio di combustibile e che la produzione di energia non risulti sbilanciata in maniera eccessiva verso la sola energia elettrica. Il testo iniziale di riferimento è lo Schema di provvedimento per la definizione delle condizioni per il riconoscimento della produzione combinata di energia elettrica e calore come cogenerazione ai sensi dell’articolo 2, comma 8, del decreto legislativo 16 marzo 1999, n. 79 e dell’articolo 2, lettera g), del Decreto Legislativo 23 maggio 2000, n. 164:

Sistemi cogenerativi per il settore civile e domestico: la microcogenerazione

Sin dalla crisi energetica degli anni Settanta la cogenerazione è stata utilizzata per migliorare l’efficienza dei sistemi di produzione di energia, tuttavia gli alti costi ne hanno necessariamente limitato l’uso alle grandi industrie. Negli ultimi decenni le tecnologie si sono evolute e perfezionate, i costi della produzione di energia sono aumentati, due mutamenti che hanno reso vantaggiosa la diffusione di sistemi cogenerativi adatti anche a realtà produttive più piccole, nonché ai settori civile e domestico. In campo industriale, generalmente, si usano impianti di potenza compresa fra 1 MW e 50 MW, o anche maggiore, ma anche in ambito civile e residenziale è possibile impiegare impianti di elevata potenza, si pensi ad esempio alle strutture ospedaliere o agli impianti urbani in grado di alimentare e riscaldare mediante teleriscaldamento. Impianti di tali potenze sono chiamati di media e grande cogenerazione; gli impianti al di sotto di 1 MW sono detti di piccola cogenerazione, mentre al di sotto dei 50 kW si parla di microcogenerazione, in genere utilizzati da realtà alberghiere, centri residenziali, impianti sportivi, serre, supermercati, oltre che all’utenza domestica.

La differenza principale tra i sistemi di microcogenerazione e gli impianti maggiori sta nei parametri che ne guidano l'operatività: in molti casi i sistemi cogenerativi industriali generano principalmente energia elettrica mentre il calore è un utile sotto-prodotto; al contrario, i sistemi di microcogenerazione hanno l’obiettivo di produrre principalmente calore, generando elettricità come sotto-prodotto. A causa di questo modello operativo e della domanda fluttuante delle strutture relativamente all'energia elettrica, i sistemi a microcogenerazione spesso producono più elettricità di quella che viene usata. Tra le fonti di energia primaria utilizzate nei sistemi MCHP (micro combined heating and power) vi sono: biomassa legnosa, gassogeno, energia solare, carbone, biodiesel, gasolio, olio combustibile, tuttavia non mancano sistemi multi-carburante.

Non tutti gli impianti di cogenerazione producono il medesimo risparmio energetico, è stata introdotta infatti la definizione di Cogenerazione ad Alto Rendimento, laddove il risparmio di energia primaria superi il valore minimo prestabilito dalla normativa vigente: per la piccola cogenerazione e la microcogenerazione è sufficiente che tali sistemi generino un risparmio di energia primaria rispetto alla produzione separata; negli altri casi è necessario che il sistema cogenerativo garantisca un risparmio di energia primaria pari almeno al 10% rispetto ai valori di riferimento per la produzione separata di elettricità e calore.

La cogenerazione, come detto, può produrre notevoli vantaggi, tuttavia è doveroso sottolineare che il risparmio economico non è attuabile in tutti i casi. La microcogenerazione, nella fattispecie, in alcune situazioni può non essere una scelta conveniente. I cogeneratori hanno la specificità di produrre elettricità e calore contemporaneamente, pertanto lo scenario ottimale si ha laddove l’utilizzo avvenga nelle vicinanze e nell’immediato; in caso di sovrapproduzione o mancato consumo, l’elettricità in eccesso e il calore sono accumulabili mediante apposite tecnologie, tuttavia queste possono risultare molto costose oppure non realizzabili; l’utenza ideale di un impianto di microcogenerazione è quella che ha un fabbisogno di calore ed elettricità abbastanza contemporanea e costante nel corso dell’anno, quindi nel caso dell’utenza domestica spesso la scelta della cogenerazione non sempre è vantaggiosa così come lo può essere invece per centri commerciali, piccole e medie imprese che utilizzano l’energia termica per la produzione, centri sportivi, etc.

L’installazione di un impianto di microcogenerazione va sempre valutata con un’analisi preliminare approfondita e condotta da tecnici e professionisti che possano individuare le soluzioni più adeguate alla realtà specifica del cliente; un impianto di cogenerazione, infatti, richiede maggiori investimenti rispetto ad un impianto tradizionale e per compensare l’investimento occorre che le ore di esercizio effettivo siano le più alte possibili: una progettazione accurata è in grado di prevedere quale configurazione sarà in grado massimizzare il ritorno sull’investimento, in caso contrario l’investimento in un microgeneratore potrebbe non produrre i risultati sperati in termini di vantaggio economico e ambientale.

La trigenerazione

Evoluzione (sarebbe forse più appropriato dire “estensione”) della cogenerazione, che permette di sfruttare l’impianto anche nei periodi in cui la richiesta di calore è minore, è la trigenerazione. Il processo per ottenere energia frigorifera avviene attraverso il ciclo frigorifero ad assorbimento basato sull’evaporazione a bassa temperatura e pressione di un fluido refrigerante, che assorbe calore dall’acqua da refrigerare; il vapore prodotto viene asportato facendolo assorbire da una soluzione, dalla quale lo si separa nuovamente per riscaldamento.

Le coppie refrigerante/assorbente generalmente sono acqua/bromuro di litio per temperature fino a 4 °C oppure ammoniaca/acqua per temperature fino a -60 °C. Rispetto ai comuni impianti di cogenerazione di energia elettrica, in un sistema di trigenerazione il rendimento globale aumenta grazie ad un miglior sfruttamento del potere calorifico del combustibile. In termini di efficienza c’è da precisare che un sistema di trigenerazione, rispetto agli impianti a pompa di calore usati comunemente per il condizionamento, ha un coefficiente di efficienza COP (Coefficient of Performance) molto più basso, tuttavia questa minore efficienza viene ampiamente compensata dal fatto che la sorgente energetica utilizzata è calore “di scarto”.

La realizzazione di impianti cogenerativi è promossa da una serie di sgravi fiscali e/o incentivi economici, sia in ambito produttivo che in ambito civile, proporzionali al risparmio energetico ottenuto. Gli impianti di microcogenerazione domestici rientrano tra quelli detraibili al 65%, fino ad un massimo di 100.000 €, grazie all’Ecobonus a patto che il risparmio di energia primaria sia almeno pari al 20%.