Cogenerazione significa produzione combinata e contestuale di energia elettrica e termica; si può dimostrare che dal punto di vista energetico tale produzione è significativamente più efficiente della stessa produzione, che sia però stata realizzata separatamente con i sistemi tradizionali.
La “piccola cogenerazione” si riferisce a macchina di potenza inferiore a 1 MW elettrico, mentre la micro cogenerazione fa riferimento a macchina di potenza inferiore a 50 kW elettrici (e la UE ha definito una regolamentazione precisa di tali sistemi “ad alto rendimento”).
Si parla di “produzione di energia ad alto rendimento” quando gli impianti sono realizzati con le “best available technologies” (BAT): tra questi sistemi, oltre alla cogenerazione ad alto rendimento, ci sono anche i cicli combinati.
Con un‟offerta seria di incentivazione da parte dello Stato, è stato stimato un risparmio del 20% della domanda energetica nazionale.
La cogenerazione (in inglese Combined Heat and Power, CHP) è la combinazione di sistemi destinati alla produzione contemporanea di energia elettrica ed energia termica, quindi costituisce una tecnologia che consente di incrementare l‟efficienza complessiva di un sistema di conversione di energia.
Concentrando in un unico impianto la produzione di energia elettrica e la produzione di calore, con la cogenerazione si sfrutta in modo ottimale l‟energia primaria del combustibile: la frazione di energia a temperatura più alta viene convertita in energia pregiata (elettrica), mentre quella a temperatura più bassa invece di essere dissipata nell‟ambiente come calore di scarto, viene resa disponibile per le applicazioni termiche più appropriate (anche riscaldamento degli ambienti).
Rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e calore la produzione combinata comporta quindi un risparmio economico dovuto al minor consumo di combustibile; inoltre viene ridotto il rilascio di calore residuo
124
nell‟ambiente. In questi casi il rendimento complessivo può raggiungere valori pari a 75-80% .
Le tecnologie attualmente utilizzate per la piccola cogenerazione si riferiscono ai motori a combustione interna e alle turbine.
Le caratteristiche peculiari dei primi sono:
- Grandissima flessibilità e affidabilità, derivate dall‟enorme esperienza accumulata nella trazione;
- Modularità, realizzata variando il numero dei cilindri in funzione della potenza da erogare;
- Rendimento elettrico medio-alto, passando da 0.20 a 0.25 per le macchine di qualche decina di kW e a 0.4 e oltre per i motori da diverse centinaia di kW; - Facilità nel reperimento di servizi e di personale per la manutenzione, grazie
alla capillare diffusione delle versioni automobilistiche che richiedono tecnologie concettualmente simili;
- Collaudato e diffuso ricorso alla sovralimentazione per aumentare le potenze specifiche (kW per unità di cilindrata) e quindi ridurre i costi.
Dallo schema seguente è possibile valutare il bilancio energetico riferito ad un impianto di rigenerazione.
125
Di contro, gli aspetti sfavorevoli sono:
- Costi di manutenzione molto più elevati rispetto alle altre tecnologie, in caso di impianti fissi;
- Emissioni piuttosto elevate di tutti i maggiori macro-inquinanti di interesse normativo, nonostante i significativi progressi compiuti negli ultimi anni.
Un pregio fondamentale delle turbine, invece, sono i bassi rapporti massa/potenza e dimensioni/potenza.
Le dimensioni della macchina sono significativamente inferiori a quelle della sola turbina di un gruppo a vapore di pari potenza; infatti, il rapporto peso/potenza è 100 kg/kWe per alcune macchine industriali di piccola potenza.
Questa compattezza, che ha decretato il successo incontrastato della turbina in campo aeronautico, comporta numerosi vantaggi anche in campo industriale, quali:
- La possibilità di installazione in spazi limitati; - L‟agevole trasportabilità;
- Il facile montaggio in fabbrica anziché in cantiere;
- L‟irrilevanza della disponibilità di acqua di raffreddamento; - Il costo di investimento molto limitato;
- I tempi di installazione e di realizzazione dell‟impianto drasticamente inferiori rispetto a quelli di una centrale a vapore. Il combustibile impiegato negli impieghi fissi è gas naturale o gasolio.
Grazie all‟elevato sviluppo tecnologico e all‟uso di combustibili pregiati le turbine non hanno problemi di emissioni di polveri, fuliggine e SO2; sono però fortemente
penalizzate dalle emissioni di NOx anche se le macchine di nuova generazione ne
emettono in quantità decisamente inferiori rispetto a quelle di prima generazione. I valori attuali si attestano intorno ai 25-50 mg/Nm3 contro i 150-300 (normalizzati al 15% di O2 nei gas anidri) delle vecchie turbine, grazie all‟adozione di combustori e
bruciatori speciali (Dry Low; vedi Tabella 3.9, fonte “Fondamenti di sostenibilità energetico ambientale”).
126
Tecnologia Motori Diesel
Motori otto a
gas Turbine a gas
Potenza kW 25-20000 50-5000 500-30000 Rendimento elettrico 27-44 24-37 25-40 Rendimento totale 85-88 85-88 85-90 Vita operativa [h] 60000 60000 110000 Rumore a 1m dB 70-115 70-115 75-90 Costo impianto [€/kW] 200-350 250-750 300-900 Costo manutenzione [€/kW] 0,005-0,01 0,007-0,02 0.003-0,008 Costi aggiuntivi [€/kW] 75-150 75-150 100-200
Tabella 3.9: Caratteristiche delle differenti tecnologie di alimentazione (Fonte: “Fondamenti di sostenibilità energetico-ambientale”)
I cicli combinati rappresentano una categoria di impianti in cui alla generazione di potenza sono preposte macchine motrici come le turbine a vapore e le turbine a gas.
Nel parco di produzione italiano si fa riferimento alle turbine a gas con generatore di vapore a recupero di più recente costruzione; in questi impianti l‟incremento della potenza delle turbine a gas ha favorito la soluzione con turbina a vapore che segue il carico stabilito dalla prima.
Il ciclo prevede che i fumi prodotti dalla combustione, dopo l‟espansione nella turbina a gas, attraversino un generatore di vapore a recupero (a uno o più livelli di pressione), in grado di produrre vapore da far espandere nella turbina, per produrre ulteriore potenza elettrica.
Il ciclo a vapore si completa in modo tradizionale con un condensatore con il suo circuito di smaltimento del calore; questa combinazione, per gli alti rendimenti delle turbine a gas dell‟ultima generazione, consente di raggiungere in assoluto i migliori rendimenti degli impianti di generazione in Italia (fino al 55%).
127