Descrizione della tecnologia e principi di funzionamento

Il principio che sta alla base della cogenerazione, ovvero la produzione combinata di energia termica ed energia elettrica, è rappresentato dal fatto che in ogni ciclo termodinamico che estrae lavoro utile, in forma di energia meccanica o elettrica, parte del calore ad alta temperatura deve essere ceduto a un serbatoio a temperatura inferiore. Qualora questo calore non possa essere convertito in lavoro, rappresenta una perdita. L’inserimento di un utilizzatore termico in grado di accogliere e recuperare quel calore a bassa temperatura, consente di realizzare un processo di cogenerazione. Il vantaggio intrinseco di questo tipo di processo sta proprio nel minimizzare le perdite dell’energia di processo e, di conseguenza, l’ottimizzazione del consumo di energia primaria in ingresso, rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di calore e lavoro. Un altro punto forte di questa tecnologia, è legato alle proprietà, e ai costi, di trasporto dell’energia elettrica e dell’energia termica. La prima può essere teoricamente trasportata per lunghe distanze, senza troppe difficoltà e con perdite relativamente contenute, all’interno di un mezzo conduttore. L’energia termica può essere trasportata facendo defluire un fluido-vettore all’interno di una condotta, che deve essere opportunamente coibentata per contenere le dispersioni termiche durante il trasporto. Nonostante una eventuale coibentazione delle tubazioni, le dispersioni non sono comunque trascurabili, e consumare l’energia termica in prossimità del sito di generazione della stessa, resta l’opzione energeticamente e economicamente più vantaggiosa, esclusi quei casi per i quali, per ragioni di massa critica, risulta più vantaggioso il teleriscaldamento.

Per impianti di grande taglia e dove non è possibile utilizzare tutto il calore nelle immediate vicinanze del sito di produzione, la produzione di energia elettrica diventa “prioritaria” rispetto a quella termica, per il trasporto della quale occorre realizzare una rete di teleriscaldamento. La micro-cogenerazione distribuita rovescia questo concetto, rendendo il cogeneratore una macchina preposta alla produzione di calore, con una quota parte di energia elettrica come sottoprodotto, da utilizzare istantaneamente, accumulare o riversare in rete, nonostante, a livello di processo, succeda esattamente l’opposto.

La tecnologia micro-cogenerativa ben si coniuga, inoltre, con il concetto di Smart Grid, le reti elettriche del futuro, capaci di gestire, in maniera intelligente, le azioni degli utenti connessi, che possono essere sia produttori sia consumatori (prosumers), per poter distribuire l’energia in modo coordinato, efficiente e sicuro. Generazione distribuita, quindi, che si sostituirà a quella centralizzata alimentata da grandi centrali, ma delocalizzata sul territorio in maniera puntuale, con piccoli generatori che comunicano tra di loro attraverso reti attive che trasportano informazioni e flussi energetici bidirezionali.

Oggigiorno i cogeneratori coprono un ampio range di potenze elettriche e termiche, con macchine adatte alle applicazioni residenziali e civili, mentre le tecnologie attualmente più diffuse in applicazioni su piccola scala, sono basate sull'utilizzo di gas naturale, in particolare con micro turbine a gas e motori alternativi a combustione interna.

Il D.Lgs 20/2007 ha introdotto il concetto di mini e microcogenerazione, definendo: • micro cogenerazione: unità con capacità di generazione inferiore a 50 kWe; • piccola cogenerazione: unità con capacità di generazione inferiore a 1 MWe.

Lo stesso decreto ha introdotto la seguente definizione di cogenerazione: "la generazione simultanea in un unico processo di energia termica ed elettrica o di energia termica e meccanica o di energia termica, elettrica e meccanica".

Un cogeneratore non è altro che una macchina termica (generalmente un motore a combustione interna o una turbina) utilizzato, a servizio di un’utenza, per produrre simultaneamente energia termica ed energia elettrica, esattamente secondo lo stesso principio secondo il quale il motore dell’automobile brucia combustibile per far muovere il veicolo, riscaldarne l’abitacolo e produrre l’energia elettrica per ricaricarne gli accumulatori.

Il motore è concepito e realizzato in maniera tale da rendere possibile il recupero di buona parte del calore prodotto durante la produzione di energia elettrica, che diversamente verrebbe disperso nell’ambiente, e cederlo a un fluido per l’utilizzo dell’energia termica.

Si ha micro-cogenerazione quando la potenza elettrica dell’impianto non supera i 50 kWe (secondo le definizioni date dal D.Lgs 20/2007).

I vantaggi principali di questa tecnologia risiedono nel fatto che l’energia prodotta possa raggiungere costi inferiori rispetto a quella acquistata dall’utente e prodotta con la generazione separata di energia elettrica e termica, per la cui produzione combinata attraverso la cogenerazione, è richiesta una quantità di energia primaria, sotto forma di combustibile, a parità di energia erogata, inferiore di una percentuale, compresa anche tra il 30% e il 40%. Generalmente, a parità di tecnologia, le prestazioni del cogeneratore, per limiti tecnologici intrinsechi della macchina, migliorano con il crescere della taglia.

Nella figura seguente è possibile osservare il confronto tra micro-cogenerazione e generazione separata, considerando un rendimento elettrico medio di riferimento del sistema elettrico nazionale del 46% (così come stabilito dall’Autorità per l'energia elettrica e il gas, con la Delibera EEN 3/08 del 20-03-2008, che corrisponde a un valore del fattore di conversione dell'energia elettrica in energia primaria in 0,187 x 10-3 _{tep/kWh), e un} rendimento termico stagionale di una caldaia a gas pari all’80%.

Cogenerazione Generazione separata

Dal grafico emerge che per generare i medesimi quantitativi di energia prodotti da un cogeneratore standard (con un rendimento elettrico del 28% e un rendimento termico del 60%), utilizzando tecnologie tradizionali si arriva a consumare il 36% in più di energia primaria, generata a sua volta, per la gran parte, da combustibili fossili.

Il funzionamento di un cogeneratore è relativamente semplice: un motore a combustione interna, o una turbina, alimentato con un combustibile tradizionale, fornisce energia meccanica a un generatore, che la trasforma in energia elettrica; in questo processo, il calore che viene generato dal processo di trasformazione in energia meccanica, anziché venire disperso nell’ambiente attraverso i fumi di scarico, viene recuperato, attraverso un sistema di scambiatori di calore, trasferito a un fluido vettore per soddisfare un’utenza termica a bassa temperatura.

I cogeneratori sono sistemi relativamente semplici da installare e, essendo modulari, consentono grande flessibilità al progettista. In genere vengono consegnati “chiavi in mano”, e una volta posati e ottenute le autorizzazioni previste dalla normativa vigente, è sufficiente provvedere agli allacciamenti alla rete, al serbatoio del combustibile e alle utenze termiche ed elettriche. La manutenzione deve essere effettuata da tecnici specializzati e ad intervalli regolari dipendenti dal modello e, generalmente indicati dall’azienda costruttrice, e dal piano di manutenzione concordato con l’azienda costruttrice, che può anche prevedere un sistema di controllo dello stesso in remoto.