Analisi degli impianti di produzione dell’energia

3.3.1.1 Impianti di produzione dell’energia elettrica

Per quanto riguarda l’energia elettrica, gli impianti da cui può essere ricavata negli stabilimenti Sofidel sono: impianti fotovoltaici, idroelettrici e cogeneratori.

I primi sono costituiti dall’assemblaggio di più moduli fotovoltaici, dai necessari cavi e dall’inverter, ovvero un apparato elettronico in grado di convertire una corrente continua in ingresso in una corrente alternata in uscita. Tali impianti sfruttano l’energia solare incidente per produrre energia elettrica mediante l’effetto fotovoltaico: il fenomeno che si realizza nel momento in cui un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale passa alla banda di conduzione a causa dell'assorbimento di un fotone. Il meccanismo di funzionamento si basa sull'utilizzo di materiali semiconduttori, il più utilizzato dei quali è attualmente il silicio. Spesso questi impianti (come l’idroelettrico e il cogeneratore) sono connessi alla rete elettrica di distribuzione: l’energia in eccesso può quindi essere rivenduta. L’impianto idroelettrico, invece, sfrutta l’energia potenziale meccanica di una portata d’acqua che si trova ad una determinata quota rispetto al livello delle turbine. L’energia prodotta dipende sostanzialmente da due fattori: il dislivello tra l’acqua e le turbine e la portata d’acqua. Il principio di funzionamento si basa, in sintesi, sul convogliamento forzato dell’acqua attraverso condutture, in modo da trasformare la sua energia potenziale in energia cinetica e di pressione grazie alla turbina. L’applicazione all’impianto di un alternatore consente la trasformazione dell’energia meccanica in energia elettrica, grazie al fenomeno dell’induzione elettromagnetica. Tale macchinario consente la produzione di elettricità sotto forma di corrente alternata. Questo processo, denominato conversione elettromeccanica dell'energia, coinvolge la formazione di campi magnetici.

Il cogeneratore, invece, è un impianto un po’ più complesso che merita un cenno più approfondito. Una maggiore attenzione per la questione ambientale e un sostanziale risparmio economico stanno portando sempre più cartiere a dotarsi di questo macchinario, che consente la produzione combinata di energia elettrica e vapore. Infatti, oltre che conveniente dal punto di vista finanziario, la cogenerazione è considerata uno strumento fondamentale per contribuire alla riduzione delle emissioni di anidride carbonica. Gli impianti

31 di questo tipo, utilizzati per le applicazioni industriali, si dividono in due principali tipologie: il cogeneratore con turbina a gas e il cogeneratore con motore endotermico.

Figura 4: Schema cogenerazione con turbina a gas

Come schematizzato in figura 4 nel cogeneratore con turbina il motore primo che viene utilizzato è rappresentato, appunto, da una turbina a gas. In tali impianti, il combustibile viene compresso e bruciato in presenza di ossigeno ed i fumi risultanti vengono direttamente inviati alla turbina, la quale rende disponibile all’albero energia meccanica. I fumi che mantengono ancora potenzialità calorifiche possono essere inviati ad una caldaia a recupero, la quale sviluppa vapore da utilizzare in macchina. Gli elementi di un impianto a turbo gas sono quindi: il compressore, la camera di combustione e la turbina. Il principio di funzionamento, come già brevemente descritto, si basa quindi su alcuni semplici passaggi:

 Aspirazione e compressione dell’aria comburente

 Invio alla camera di combustione dove viene iniettato il combustibile

 Invio dei gas caldi alla turbina e trasformazione dell’energia in essi contenuta in potenza meccanica tramite espansione

 Trascinamento da parte della turbina dei vari macchinari che le sono accoppiati, quali pompe, generatori elettrici, compressori

32  Trasformazione dell’energia meccanica in energia elettrica tramite l’alternatore

accoppiato alla turbina

 Invio dei gas di scarico con temperatura elevata alla caldaia per ottenere la produzione di energia termica sotto forma di vapore

Il recupero di calore non penalizza né il rendimento né la potenza erogata dalla turbina a gas. Rispetto ad altri tipi di impianti motori quelli con turbina a gas, a parità di potenza installata, presentano vantaggi relativamente ai costi del macchinario dovuti al volume ed al peso ridotto. Si hanno inoltre, tempi di costruzione ed installazione contenuti. Il processo di combustione è di tipo continuo ed il contenimento delle emissioni inquinanti è garantito dal fatto che questi impianti adoperano metano o combustibili gassosi con un basso contenuto di zolfo. La produzione di energia elettrica si ottiene grazie all’alternatore accoppiato al turbogas e la produzione di energia termica sotto forma di vapore con l’invio dei fumi caldi alla caldaia. In questo modo si evita di utilizzare nuovamente del combustibile, ottenendo un risparmio sostanziale in termini economici. Inoltre, il collegamento con la rete elettrica nazionale consente di andare a prelevare energia se la produzione interna è inferiore a quella necessaria, o di vendere quella in esubero immettendola in rete in caso contrario.

Figura 5: Schema cogenerazione con motore endotermico

Per gli impianti con motore endotermico (rappresentati schematicamente in figura 5) il funzionamento è analogo a quello appena descritto per il cogeneratore con turbina a gas,

33 con la differenza che in questo caso il motore primo è rappresentato da un motore a combustione interna. Il rapporto energia termica su energia elettrica prodotta è inferiore rispetto a quelli con turbina a gas, per questo motivo sono meno utilizzati nelle applicazioni industriali come le cartiere. Infatti, con questa tipologia di cogeneratore è più difficile recuperare il calore poiché è distribuito nei gas di scarico, nel liquido refrigerante, nell’aria di alimentazione, nell’olio lubrificante ed una piccola parte viene persa per irraggiamento. In questo tipo di impianti, quindi, il calore recuperato dai gas di scarico è utilizzato in caldaia per produrre energia termica sotto forma di vapore, mentre quello a temperatura più bassa viene utilizzato per riscaldare l’acqua. I motori alternativi più utilizzati in questo tipo di applicazioni sono quelli che si prestano ad un recupero più efficiente del calore, cioè quelli di elevata potenza, come i motori diesel adatti alle applicazioni industriali.

La scelta dell’installazione di una tipologia di impianto cogenerativo rispetto all’altra dipende dalle caratteristiche tecniche dello stabilimento in cui si vuole adottare la cogenerazione; oltre che da considerazioni di carattere economico ed energetico che potrebbero far propendere più su una soluzione rispetto ad un’altra, come i carichi richiesti dalle utenze termiche o le tariffe con cui sono regolati gli scambi di energia con la rete nazionale. [5] [10] [11]

3.3.1.2 Impianti di produzione dell’energia termica

Per la produzione di vapore, invece, oltre al già citato cogeneratore si sfruttano le caldaie a gas e gli impianti a biomassa.

La caldaia è l’apparecchiatura che realizza il passaggio di calore da un combustibile in fase di combustione verso un liquido, con lo scopo poi di distribuirlo opportunamente ad un ambiente tramite l'impianto. Gli elementi principali sono:

 Il bruciatore: l’elemento nel quale si costituisce una miscela non stechiometrica tra carbonio contenuto nel combustibile e ossigeno contenuto nell’aria, in modo da realizzare una fiamma tale da trasmettere il calore per conduzione termica tramite i fumi caldi di combustione

 La camera di combustione: l’ambiente che contiene il bruciatore  Il fascio tubiero: l’insieme di tubi

 Il camino: il condotto di dispersione dei fumi esausti

In linea generale, per la produzione di vapore, viene fatto bruciare un combustibile creando gas caldo, il quale riscalda l’acqua che circola nei tubi trasformandola in vapore. L’energia termica contenuta nel vapore viene, quindi, utilizzata nel processo di produzione, in particolar modo in seccheria per l’asciugatura del foglio di carta in formazione.

34 Per la cogenerazione, come detto, vengono utilizzate caldaie a condensazione, ovvero impianti che sfruttano il recupero del calore latente di condensazione e realizzano, quindi, una maggiore efficienza energetica. I fumi scaricati non sfruttano il tiraggio naturale del camino, per cui sono espulsi attraverso un ventilatore inserito a monte del bruciatore. A differenza delle caldaie tradizionali, che disperdono in atmosfera il vapore acqueo perdendo il calore latente ad esso associato, le caldaie a condensazione recuperano parte di esso allo scopo di preriscaldare l’acqua di ritorno dall’impianto termico. Di conseguenza, la temperatura dei fumi di scarico è minore rispetto ad una caldaia tradizionale, mentre le condense in ingresso, avendo una temperatura maggiore, necessitano di minor calore per il ritorno alla temperatura di esercizio, aumentando, così, il rendimento di combustione e una riduzione delle emissioni. [5]

Infine, per la produzione di energia termica sotto forma di vapore vengono sfruttati anche gli impianti a biomassa. La Direttiva Europea 2009/28/CE definisce la biomassa come: "La frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall'agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l'acquacoltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani". Con il termine caldaie a biomassa si intendono tutte quelle caldaie che sono alimentate con combustibile di questo tipo. Le biomasse legnose rappresentano una fonte energetica rinnovabile (il legno infatti ricresce naturalmente al contrario dei giacimenti petroliferi che si esauriscono) e neutra rispetto alle emissioni di CO2, cioè anidride carbonica.

Le piante utilizzano per crescere tanta CO2 quanta ne viene immessa in atmosfera durante il

loro utilizzo energetico, portando, quindi, il bilancio in pari. Il funzionamento è analogo a quello precedentemente illustrato per le caldaie tradizionali, fatta eccezione per la combustione che fa, appunto, uso di biomassa legnosa come combustibile. Ovviamente il rendimento di tali caldaie non è paragonabile a quello delle caldaie tradizionali, a causa del fatto che il potere calorifico del gas naturale è sensibilmente superiore a quello della biomassa. Il vantaggio, però, dell’utilizzo di un impianti di questo tipo, oltre a varie detrazioni fiscali specifiche del paese di installazione, è, anche da un punto di vista di immagine, l’evidenza di un’alta sensibilità ai temi ambientali, ottenuta con l’utilizzo di fonti rinnovabili. [12]