Livello intermedio: progetto nominale

La direzione da seguire nella progettazione a questo stadio è ben determinata, per certi aspetti. Infatti, la presenza di specifiche tecniche sul lato produzione o utilizzazione conferisce una struttura di partenza al progetto, e lascia spazio solo in parte a scelte libere da vincoli esterni. Tuttavia, è da notare che, per quanto le specifiche di progetto restringano il campo d'azione del progettista, restano comunque i più svariati metodi da poter adottare per una valutazione volta all'ottimizzazione dei sistemi CHP-DHN, e che più si scende nel dettaglio tecnico, e maggiore è il numero di variabili che entrano in gioco.

In letteratura, in molti hanno tentato di definire metodologie di ottimizzazione per il dimensionamento di impianti CHP per alimentare un carico imposto, sia su scala ridotta (singole abitazioni) che per dimensioni più rilevanti. Allo stesso tempo, si è cercato di definire degli approcci per la scelta dell'utenza da assegnare ad impianti già esistenti. Nel seguito si espongono alcuni dei principali metodi mantenendo la distinzione tra questi due casi.

2.4.1. Progetto dell'impianto ad utenza imposta

Le scelte progettuali, nei casi in cui gli andamenti delle domande siano prefissati, possono variare molto a seconda della funzione obiettivo che si adotta nella fase di studio ed ottimizzazione. Le principali funzioni obiettivo impiegate, in molti casi in maniera combinata (Multi-Objective Optimization, MOO), sono:

 minimizzazione del consumo di energia primaria (Primary Energy Consumption, PEC), o massimizzazione del risparmio di energia primaria (Primary Energy Saving, PES);

 minimizzazione delle emissioni di CO2;

 minimizzazione dei costi (di installazione, gestione e manutenzione);  massimizzazione del ritorno dell'investimento (VAN);

 massimizzazione dello share di cogenerazione.

Il primo punto, in particolare, considera un parametro di valutazione termodinamica molto utile, in quanto consente di valutare il risparmio di energia primaria dell'impianto CHP rispetto al caso in cui la stessa energia da esso prodotta fosse ottenuta da produzione elettrica e termica separata in impianti tradizionali. Il PES è infatti definito come [51]:

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dove , ed sono il consumo di energia primaria, l'energia elettrica e l'energia termica prodotte in cogenerazione, mentre e sono rispettivamente le efficienze elettrica

e termica di riferimento, ossia quelle medie nazionali di produzione separata da impianti convenzionali allo stato attuale della tecnologia.

Il secondo punto presenta un parametro di valutazione dell'impatto ambientale. Esso ci consente di confrontare un impianto CHP con impianti tradizionali attraverso il valore delle emissioni di anidride carbonica in atmosfera. Riducendo tale valore, si realizza un efficientamento di tipo ambientale, importante tanto quanto quello termodinamico, soprattutto alla luce degli obiettivi europei per la riduzione delle emissioni [53].

Il terzo e il quarto punto prendono in considerazione l'aspetto economico legato agli impianti cogenerativi. I costi di investimento e quelli operativi costituiscono voci di bilancio che tendenzialmente crescono in valore insieme al PES, anche se, con un'opportuna progettazione, è possibile ottenere una riduzione di tali costi senza rimettere in termini di efficienza complessiva [15]. La massimizzazione del VAN, invece, tende ad incentivare ancora di più l'accezione di impianto come strumento di investimento per fini di ritorno economico, in quanto vede come scopo il guadagno in sé, più che un semplice contenimento dei costi.

Il quinto punto presenta un parametro che consente di individuare la quota di energia termica prodotta dal CHP rispetto al totale di quella richiesta da un'utenza, e dunque ci fornisce una stima della quota da cogenerazione sul totale utilizzato. È definito come:

dove è l'energia termica annua ottenuta da CHP mentre è l'energia termica annua complessiva richiesta dall'utenza.

2.4.2. Scelta dell'utenza da alimentare con impianto esistente

Quando si ha un impianto già realizzato al quale è necessario assegnare un carico, è opportuno effettuare una scelta che tenga conto di caratteristiche quali il minimo tecnico di funzionamento, l'andamento del rendimento ai carichi parziali, il numero di starts and stops, la durata e le prestazioni nei transitori, il numero di ore equivalenti di funzionamento, la presenza di un serbatoio per l'accumulo termico e varie altre.

Il vantaggio di poter agire liberamente sulla scelta del carico è importante, in quanto consente al progettista di creare una domanda con le caratteristiche che più si adattano all'impianto in analisi. Se si considera, ad esempio, un qualunque impianto CHP alimentato a gas naturale

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(per semplicità lasciamo da parte la possibilità di integrazione con fonti rinnovabili aleatorie), si può pensare di prevedere un'aggregazione di utenze tale da ottenere un andamento pressoché costante della domanda nelle ore diurne, con eventuale abbassamento nelle ore notturne (intrinseco negli usi energetici se, in particolare, non si ha a che fare con utenze industriali). Questo consentirebbe di far operare il CHP a piena potenza (o comunque vicino al punto di funzionamento nominale) durante il giorno, e di attivare al suo posto un sistema di produzione termica ausiliario durante la notte, ricorrendo alla rete per i consumi elettrici. Quello appena esposto è solo un esempio che vuole ribadire le enormi potenzialità che si hanno di fronte ad una scelta di questo tipo, come già discusso nel paragrafo 2.3.

Kayo et al. [17], ad esempio, hanno analizzato i benefici ottenibili dall'aggregazione di diverse tipologie di edifici, e dunque diversi tipi di domande elettrica e termica, e il comportamento al variare della potenza delle singole unità CHP poste in ciascun edificio e della strategia operativa adottata. Il concetto di partenza è quello di energy community, secondo il quale si eseguono dei raggruppamenti (clusters) di edifici, ciascuno avente un proprio sistema di cogenerazione, interconnessi tra loro in una logica di condivisione dell'energia prodotta, sia elettrica che termica. Gli autori hanno preso in analisi quattro tipologie di edifici: uffici, hotel, ospedale, centro commerciale. Per essi hanno eseguito uno studio basato su tutte le combinazioni di due o più edifici di diverso genere e, attingendo ad un database per conoscere la domanda tipo di ciascuno, hanno eseguito un'analisi al variare della potenza dell'impianto: l'articolo dunque, una volta individuato un andamento giornaliero rappresentativo di ogni mese, compara i profili delle varie domande durante l'anno. La destinazione d'uso dell'edificio è certamente un parametro influente ai fini del comportamento del sistema, poiché è proprio questa che determina le peculiarità del carico.

Gli indici di valutazione introdotti nello studio descritto sono due: il Cogeneration Energy Factor (CEM), che dà un'informazione sulla quota di carico coperta dal CHP, e il Cogeneration Energy Matching (CEM), che fornisce un valore indicativo della quota di energia da CHP che viene consumata in loco. Entrambi gli indici sono stati definiti sia in relazione all'energia termica che a quella elettrica, in maniera distinta. Fatto ciò, gli autori hanno eseguito i calcoli per tre diverse modalità di funzionamento dell'impianto: inseguimento del carico termico, inseguimento del carico elettrico, funzionamento costante a potenza massima.

Questo lavoro, dunque, mostra come, analizzando gli andamenti tipici di edifici con destinazioni d'uso diverse, sia possibile effettuare un primo studio che fornisca indicazioni su

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come accoppiare diverse utenze. Presupponendo di avere a disposizione un impianto di taglia medio-grande tale da rendere sensata l'aggregazione di più edifici per raggiungere una domanda abbastanza omogenea, il primo passo da fare è senz'altro individuare in un raggio d'azione limitato intorno all'impianto le tipologie di strutture presenti che costituiscono dei potenziali utilizzatori finali; fatto ciò, si può eseguire un primo clustering sulla base di dati tipici delle domande elettrica e termica, ottenibili da modelli previsionali, oppure accedendo, dove possibile, ai dati reali degli edifici in questione.