Sistemi di microcogenerazione domestica, i vantaggi e le tecnologie della produzione combinata di energia per uso domestico

Il termine cogenerazione definisce la produzione combinata di energia elettrica e termica ottenute in impianti che utilizzano la stessa fonte di energia primaria. Mediante tale processo il primo vantaggio è l’incremento dell’efficienza di utilizzo del combustibile che può arrivare fino all’80- 85%; ovvie conseguenze sono i minori costi di approvvigionamento del combustibile e le minori emissioni di inquinanti e gas serra rispetto alla tradizionale produzione separata di elettricità e calore.

Come già detto in una precedente trattazione, la produzione combinata di energia elettrica e termica trova applicazione sia in ambito industriale, sia in ambito civile. Il calore è utilizzato sotto forma di vapore o di acqua calda/surriscaldata o di aria calda, nei processi industriali o in ambito civile per riscaldamento urbano tramite reti di teleriscaldamento, nonché il raffreddamento tramite gruppi frigo ad assorbimento; l’energia elettrica viene usualmente autoconsumata per la maggior parte ed immessa in rete per l’eventuale surplus prodotto rispetto ai fabbisogni.

Differenze tra cogenerazione e microcogenerazione domestica

Nella microcogenerazione domestica, il concetto è il medesimo, la differenza è legata alla potenza dell’impianto, come indicato dal D.Lgs 20/2007 che definisce unità di microcogenerazione quelle che hanno una capacità di generazione massima inferiore a 50 kW elettrici. Si tratta quindi di sistemi di piccole dimensioni che non abbisognano necessariamente di essere allacciati a infrastrutture su scala urbana (come ad esempio il succitato teleriscaldamento) ma che bensì possono funzionare in maniera autonoma, per singolo edificio, che sia esso un condominio o una singola unità immobiliare.

Un’altra differenza basilare tra impianti di cogenerazione e impianti di microcogenerazione sta nel fatto che in questi ultimi l’energia termica rappresenti il prodotto primario mentre quella elettrica il cosiddetto “sottoprodotto”. In altri termini, in questi impianti rivolti alle piccole realtà, la quantità di energia prodotta a scopi termici risulta superiore rispetto all’elettricità, mentre nei primi, rivolti a realtà ben più grandi di ambito produttivo-industriale e infrastrutturale, accade l’esatto opposto. Questo elemento caratterizzante dei sistemi MCHP (micro combined heating and power) è tutt’altro che casuale dato che, di fatto, la maggior parte dell’energia globale utilizzata da un edificio/unità di tipo civile/domestico riguarda la climatizzazione e la produzione di acqua calda sanitaria. Per ciò che concerne l’energia elettrica, questa è spesso prodotta in eccesso rispetto al normale fabbisogno domestico, che si aggira attorno alle 3.000/4.000 ore l’anno, il che significa, nella maggior parte dei casi, la copertura del 100% del fabbisogno elettrico; è lampante quanto questo rappresenti un vantaggio in termini economici, tuttavia è doveroso notare, in un’ottica più ampia, quanto tale vantaggio sia virtuoso considerando che l’energia elettrica autoprodotta non è assoggettata né ai costi di distribuzione né alle perdite dovute a quest’ultima durante la trasmissione a distanza, dando quindi una piena efficienza a fronte di un risparmio di circa 1/3. 

Schematizzando, i sistemi di microcogenerazione sono costituiti da un motore, alimentato da un combustibile, il quale fornisce energia meccanica ad un generatore che produce energia elettrica; l’energia termica si crea mediante il recupero di calore, a mezzo di scambiatori termici, del processo meccanico.

Tecnologie impiegate nella microcogenerazione domestica

Le tecnologie maggiormente utilizzate per la microcogenerazione domestica sono:

1. Motori a combustione interna nei quali il movimento del pistone è prodotto direttamente dall’accensione del combustibile all’interno del cilindro; nei sistemi di cogenerazione con motori a combustione interna si ha 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 oltre i 400°C;
2. Motore Stirling: si tratta di un motore a combustione esterna che, mediante uno scambiatore, genera, in sistema chiuso, una differenza di temperatura generando moto nei pistoni posti all’interno del motore stesso, con la funzione di trasformare il movimento lineare alternato in un moto rotatorio. Un vantaggio del ciclo Stirling è rappresentato dall’assenza di valvole o dispositivi di immissione ed estrazione del fluido, facendo sì che le uniche parti in movimento siano i pistoni e l’albero di trasmissione, i quali abbisognano di scarsa manutenzione. La combustione esterna è un altro aspetto vantaggioso in quanto minimizza eventuali stress termomeccanici e, di conseguenza, ne riduce ulteriormente la manutenzione. La quantità di calore fornita da un motore Stirling è circa 2-10 volte maggiore rispetto all’elettricità prodotta;
3. Microturbine a gas nelle quali la produzione di energia elettrica deriva dalla fase di espansione dei gas di combustione che si realizza all’interno della turbina stessa: 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 i quali raggiungono temperature elevate, a partire da 450°C. Per il loro funzionamento, oltre alla turbina, è necessaria la presenza di:

    

   1. un compressore dove viene alimentata l’aria comburente al fine di aumentarne pressione e temperatura;
   2. una camera di combustione in cui l’aria compressa viene miscelata al combustibile ed avviene la combustione;
   3. un generatore che trasformi in elettricità l’energia meccanica prodotta nella turbina attraverso l’espansione dei gas di combustione;
   4. una caldaia alimentata con i gas scaricati dalla turbina per la produzione di energia termica.

I vantaggi derivano prevalentemente dall’elevata vita utile, dalla ridotta manutenzione e dalla scarsa rumorosità.

4. Celle a combustibile dispositivi elettrochimici che, in modo simile ad una batteria, accumulano l’energia elettrica generata dalla conversione della carica contenuta nelle sostanze reagenti al suo interno, innescati in appositi combustori in assenza di fiamma. L’energia ottenuta può essere direttamente utilizzata per fabbisogni elettrici e/o per riscaldare mediante uno scambiatore che veicoli il carico termico verso l’acqua di circuito d’impianto.
5. Pannelli solari ibridi fotovoltaico-termici nei quali si affiancano alle tradizionali celle fotovoltaiche per la produzione di energia elettrica degli scambiatori di calore, fleat heat pipe (condotti termici piatti), in grado di assorbire il calore generato dal surriscaldamento delle celle, trasferendolo a generatori, boiler, etc. affinché possa essere utilizzato, scambiatori di calore in grado di trasportare anche grandi quantità di energia termica.

Un sistema cogenerativo può essere alimentato da svariati tipi di combustibile:

1. Fossile:

    

   1. gas naturale
   2. gasolio
   3. GPL
   4. olio combustibile
   5. carbone
2. Derivante da rifiuti solidi o biogas;
3. Ricavati da biomasse legnose e/o vegetali:

    

   1. pellet
   2. cippato
   3. scarti agricoli e forestali

Cogenerazione ad alto rendimento

Il GSE indica che un'unità di cogenerazione è definita ad alto rendimento (CAR) 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 qualunque valore che sia superiore allo 0.

I principali benefici che la legislazione attuale riconosce alla Cogenerazione ad Alto Rendimento sono:

1. Precedenza, nell'ambito del dispacciamento, dell'energia elettrica prodotta da cogenerazione rispetto a quella prodotta da fonti convenzionali;
2. Agevolazioni fiscali sull'accisa del gas metano utilizzato per la cogenerazione;
3. Accedere al servizio di Scambio sul Posto dell'energia elettrica prodotta da impianti di Cogenerazione ad Alto Rendimento con potenza nominale fino a 200 kW;
4. Applicare condizioni tecnico-economiche semplificate per la connessione alla rete elettrica;
5. Poter ottenere le agevolazioni tariffarie per impianti alimentati a Fonti Energetiche Rinnovabili;
6. Incentivazione dell'energia elettrica prodotta in Cogenerazione ad Alto Rendimento, netta e immessa in rete da impianti alimentati a biometano;
7. Possibilità, per un impianto termoelettrico non alimentato a fonte rinnovabile presente all’interno di un sistema semplice di produzione e consumo, di essere considerato in assetto cogenerativo ad alto rendimento per l’anno “n” purché l’energia cogenerata dall’unità (ECHP) risulti, per l’anno “n-1”, maggiore del 50% della produzione totale lorda di energia elettrica dell’impianto a cui tale unità appartiene.

Il Decreto Legge 63/2013 ha introdotto gli impianti di microcogenerazione tra quelli rientranti nell’Ecobonus.

La sostituzione di un impianto di climatizzazione esistente con sistemi di microcogenerazione domestica, pertanto, è detraibile per un’aliquota pari al 65%, per una spesa massima di 100.000,00€, in 10 rate annue di pari importo. tale condizione è soddisfatta a patto che:

1. L'intervento, sulla base dei dati di progetto, conduca a un risparmio di energia primaria (PES), come definito all'Allegato III del Decreto del MISE 4 agosto 2011, pari almeno al 20%;
2. Tutta l'energia termica prodotta sia utilizzata per soddisfare la richiesta termica per la climatizzazione degli ambienti e la produzione di acqua calda sanitaria.

Il Decreto 6 Agosto 2020 requisiti minimi, attuativo del Decreto Rilancio, nell’Allegato 2, punto 7, inserisce gli interventi di sostituzione di impianti di climatizzazione invernale con impianti dotati di micro-cogeneratori tra gli interventi cosiddetti trainati che possono accedere alla detrazione cosiddetta Superbonus 110%, in 5 rate annue di pari importo; ad esempio, nel caso in cui l’energia elettrica generata dal micro-cogeneratore venga utilizzata da una pompa di calore installata in sostituzione di un impianto di climatizzazione esistente (intervento trainante), sarà possibile detrarre la spesa per il sistema micro-cogenerativo sino alla saturazione del massimale previsto per tale categoria di intervento.