Il modo più efficace per aumentare l’efficienza nella produzione di energia è quello di sfruttare gli impianti cogenerativi, detto anche a ciclo combinato. La concezione di fondo di tali impianti è di fatto basata su un abbinamento dei classici cicli a gas e Rankine già esistenti. Nel caso della cogenerazione, si cerca di sfruttare in modo efficiente il calore residuo di un ciclo a gas, che è considerevole e nelle normali centrali termiche viene semplicemente dissipato nell’ambiente. Il recupero di calore è così effettuato: il calore a temperature più elevate (derivante dal ciclo a gas dell’impianto) viene sfruttato per riscaldare l’acqua del ciclo Rankine abbinato. Il calore residuo del ciclo Rankine di tipo cogenerativo soddisfa la domanda per utilizzi domestici o civili. Alcuni esempi possono essere: il teleriscaldamento, il riscaldamento di piscine. Fondamentale per la cogenerazione, in qualunque caso, è che l’impianto cogenerativo sia geograficamente vicino ai luoghi in cui vi è la maggior domanda di calore, a causa delle elevate perdite per dissipazione durante il trasferimento stesso di calore. Così facendo si possono raggiungere rendimenti complessivi d’impianto superiori al 60%, molto più elevati rispetto ad una centrale elettrica standard.
Dati gli elevati rendimenti raggiunti, questo tipo d’impianto sta venendo sempre più studiato e costruito. Visto che può garantire minori consumi e l’utilizzo di una fonte meno inquinante, si può affermare che a parità di energia prodotta si avrà una minore emissione di CO2 in atmosfera. Risulta chiaro quindi come la costruzione di un impianto di tipo cogenerativo possa portare notevoli benefici sotto vari punti di vista: ambientale, per il calo dei gas serra emessi; economico, in quanto i costi operativi e di gestione risulteranno più bassi di uno stesso impianto di tipo termico. Di conseguenza, lo sfruttamento della cogenerazione ricorre fra gli esempi d’eccellenza nel patto dei sindaci.
Un esempio in materia può essere fornito dal comune di Düsseldorf, in Germania. Tale città si è infatti data per il 2050 l’ambizioso obbiettivo di essere neutrale nei confronti del clima, ossia di avere un saldo emissivo pari a zero. Di conseguenza, per raggiungere tale traguardo, è necessario agire anche sulla generazione di energia locale, cercando di renderla il più pulita possibile. È chiaro perciò come tale comune abbia deciso di investire pesantemente sugli impianti cogenerativi. L’amministrazione ha quindi, in partecipazione con una serie di ditte municipalizzate, finanziato e costruito un impianto cogenerativo a gas, in cui il calore viene poi recuperato per una rete di teleriscaldamento cittadina. Il progetto è stato lanciato nel 2010, e l’impianto è entrato ufficialmente in esercizio nel 2016.
L’impianto è in grado di fornire circa 600 MW di corrente elettrica e 300 MW di energia sotto forma di calore. Lo schema di ciclo è il seguente:
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Figura 43, Schema di ciclo dell'impianto combinato nel comune di Düsseldorf, Germania. Fonte: https://www.swd-ag.de/ueber-uns/erzeugung/gaskraftwerk-gud-kraftwerk/ ( in tedesco)
Le parole recitano, da sinistra verso destra: Caldaia di recupero calore (Abhitzekessel); Turbina a gas, presa d’aria (Luftansaugung); Trasformatore, Generatore, Pompa per l’acqua di alimentazione (Speisewasserpumpe); Turbina a vapore (Dampfturbine); Condensatore; mandata del teleriscaldamento ( Fernwärme-Auskopplung). Si vede come il ciclo sfrutti direttamente le possibilità di generazione elettrica fornite sia dalla turbina a gas che quelle offerte da una turbina a vapore. Di fatto, in questo schema d’impianto sono accoppiati un ciclo a gas e un classico ciclo Rankine; in modo da sfruttare al meglio la generazione di calore che si è ottiene dalla combustione del gas naturale. Il gas naturale viene prima bruciato nella turbina a gas, raggiungendo una temperatura di circa 1.300 °C; e viene espanso in tale turbina, generando energia elettrica e raffreddandosi a 630 °C. I gas di scarico vengono poi mandati nella caldaia di recupero calore, ove il loro calore residuo viene sfruttato per far evaporare l’acqua lì presente e creare vapor d’acqua in pressione. A questo punto, buona parte del vapore acqueo viene nuovamente espanso in turbina, per ottenere ulteriore energia elettrica. Un’altra parte invece viene spillato alle varie temperature, e viene poi sfruttato per fornire calore ad un ulteriore circuito ad acqua. L’acqua calda così ottenuta va poi ad alimentare una rete di teleriscaldamento rivolta principalmente ad utenze domestiche nelle vicinanze dell’impianto. Abbinato alla rete di teleriscaldamento è presente anche un serbatoio d’accumulo dell’acqua calda, in modo tale da poter disaccoppiare la produzione di corrente ed elettricità. Sfruttando l’accumulo di calore, è possibile soddisfare un’elevata domanda di calore quando invece vi sia una bassa richiesta di corrente senza dover rimettere in moto l’intera filiera energetica dell’impianto (tipicamente ciò avviene di notte). Analogamente, si accumula il calore in eccesso quando si abbia bassa richiesta di calore ed elevata richiesta di corrente. Il serbatoio previsto può accumulare fino a 35.700 m3 di acqua calda, corrispondenti a circa 1.340 MWh termici. Raffrontando tale valore al fabbisogno cittadino, si ottiene che tale disponibilità di calore potrebbe soddisfare la domanda dell’intera città di Düsseldorf per un tempo compreso fra molte ore e alcuni giorni, in base al clima esterno. Questo semplice accorgimento consente di risolvere i problemi legati alla variabilità del carico, e di stressare molto meno le condizioni operative dell’intero impianto, che viene messo in moto solo quando è necessario. Lo schema d’accumulo è il seguente:
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Figura 44, Schema dell'impianto d'accumulo termico abbinato all'impianto combinato a gas naturale di Düsseldorf. Fonte: https://de.wikipedia.org/wiki/Kraftwerk_Lausward (in tedesco)
Le scritte in figura recitano: “Rete di teleriscaldamento” (“Fernwärmenetz); Mandata (Vorlauf), Ritorno (Rücklauf). “Accumulo del calore per teleriscaldamento- locale pompe” (Fernwärmespeicher-Pumpenhaus), Misuratore di temperatura (Temperaturmessung), “Pompa di mescolamento” (Beimischpumpe); Valvola di mescolamento (“Beimischventil”); Valvola a farfalla di sovrappressione (“Überdruck-Drosselventil”); nell’elenco numerato si ha: 1-Caricamento dell’accumulo (“Laden des Speichers”); 2-Scaricamento dell’accumulo (“Entladen des Speichers”); 3-Mescolamento dell’acqua fredda (“Beimischen von kalten Wasser”); 4- Riduzione della sovrappressione al ritorno (“Reduzieren von Rücklauf- Überdruck). Infine, per quanto riguarda il serbatoio si ha: “Bocchetta di ritorno” (Rücklaufdüse), “zona fredda” (Kalte zone); “strato limite” (grenzschicht); “zona calda” (Heiße zone); “Bocchetta di mandata” (Vorlaufdüse); “cuscinetto di vapore” (Dampfpolster); Contenitore del calore di accumulo per teleriscaldamento (“Fernwärmespeicherbehälter).
L’impianto riesce a raggiungere un’efficienza del 61,5% nella generazione di energia elettrica, valore considerevolmente più elevato rispetto a quello di una normale centrale termoelettrica. Se si considera nel rendimento anche l’energia che viene recuperata sotto forma di calore, si riesce ad arrivare ad un valore di rendimento globale pari all’85%. Un valore del genere è quasi il doppio di una centrale termica standard, che normalmente ha rendimenti del 40-45% e nelle centrali più moderne ed efficienti può arrivare fino al 50%. Un impianto di questo tipo, grazie alla combinazione con una generazione di calore che sia eco-sostenibile, ha portato, nel primo anno di funzionamento, ad un risparmio complessivo di 600.000 tonnellate di CO2. Si stima inoltre di riuscire a far crescere il valore di emissioni evitate a circa un milione di tonnellate di CO2, questo grazie all’ampliamento della rete del teleriscaldamento cittadina. In aggiunta alla riduzione di CO2, bisogna tenere in conto che, per questo impianto, le emissioni di polveri sottili sono talmente basse da essere praticamente irrilevanti per i dati complessivi della città. Ciò introduce un vantaggio per la salute pubblica, in quanto va a ridurre i livelli di inquinamento e di particolato presenti nell’aria cittadina.
Il progetto è stato ideato e finanziato dall’amministrazione locale, ma alla stesura dello stesso hanno collaborato anche rappresentanti delle varie realtà locali, quali gruppi economici, rappresentanze dei cittadini e organizzazioni esterne. Si è così tenuto in considerazione non solo l’aspetto energetico ed economico, ma anche quello stilistico ed architettonico della struttura, in modo tale da renderla più gradevole ed accettabile agli occhi dei cittadini.
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Figura 45, Fotografia dell'impianto combinato del comune di Düsseldorf. Fonte: Block “Fortuna“, sieht gut aus für Düsseldorf. PDF informativo sull’impianto, reperibile presso il sito : https://www.swd-ag.de/ueber-uns/erzeugung/gaskraftwerk-gud-kraftwerk/ (in tedesco)
Si vede come l’impianto sia anche esteticamente apprezzabile, a riprova di quanto sopra affermato.
L’investimento complessivo del progetto è stimato in circa 500 milioni di €, e la costruzione è stata ultimata in soli 4 anni. Va specificato che l’impianto è stato eretto riadattando una vecchia centrale a carbone lì presente, perciò il tempo di costruzione e l’investimento complessivo sono stati leggermente più basse che nel caso si fosse dovuto partire da zero. Si può perciò stimare, dai dati ottenuti, un rapporto costi-benefici annuale pari a 833,33 € anno/tonCO2 ridotta. Tale valore, se verranno confermate le previsioni fatte nel documento (riduzione di 1 milione di tonnellate di CO2 all’anno al 2025) si potrà perciò abbassare fino a 500 € anno/tonCO2 ridotta. Se si va a eseguire tale calcolo usando la vita utile stimata dell’impianto, si arriva ad un range di rapporto costi benefici pari a 20,83 €/tonCO2 ridotta nel caso la riduzione resti pari a 600.000 tonnellate di CO2, mentre si può scendere fino a 12,5 €/tonCO2 se si raggiungerà il miglioramento previsto dal documento di presentazione del progetto. La criticità maggiore di un’iniziativa di questo simile è chiaramente la difficoltà, economica e pratica, nel mettere in moto un progetto simile. Innanzitutto è richiesto un pesante investimento iniziale (500 milioni di € sono una cifra notevole per qualunque amministrazione); inoltre, è necessario avere a disposizione una rete già predisposta di teleriscaldamento. Per fare un corretto dimensionamento dell’impianto serve inoltre avere a disposizione una notevole quantità di dati, quali ad esempio uno storico delle domande di calore ed elettricità cittadine. Infine, nell’attuazione di un progetto di così grande e complessa entità, è fondamentale che vi sia un coordinamento efficace delle varie imprese coinvolte. Perciò, è essenziale che vi sia una costante comunicazione fra i vari attori presenti nelle varie fasi del progetto, e che vi sia un’attenta supervisione di tutte le fasi di implementazione del progetto. Non trascurabile inoltre, per un cantiere di tale entità, è la questione sicurezza sul lavoro. La costante ispezione dei cantieri previene in maniera efficace gli incidenti. Una prevenzione efficace, oltre che all’indiscutibile e ovvio beneficio umano, ha anche un beneficio economico, in quanto consente di rispettare i tempi di consegna, e non introdurre ritardi dovuti a eventuali incidenti sul lavoro. Infine, per un progetto del genere, è indispensabile un costante e forte sostegno politico. Un’iniziativa di questo tipo infatti si sviluppa su un arco di tempo lungo, che può andare a coinvolgere anche più amministrazioni. È fondamentale che, qualunque sia l’orientamento dell’amministrazione entrante, un progetto di questo tipo sia sempre sostenuto senza alcun ripensamento; altrimenti si rischia di avere un aumento di costi elevato dovuto ai ritardi nel cantiere per questioni burocratiche. Ciononostante, il progetto è considerato un grande successo, e ha ricevuto apprezzamenti da varie parti del mondo; è stato nominato “impianto dell’anno” dalla rivista
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Power Magazine degli Stati Uniti28. Al momento è allo studio la possibilità di realizzarne uno simile per la città di Colonia, sempre in Germania.