Capitolo 1
1
La trigenerazione, la microcogenerazione ed il
sistema Elettrico
1.1
Cogenerazione e trigenerazione: aspetti generali
L’uso razionale delle fonti primarie di energia, i benefici derivanti da un sistema di produzione dell'energia elettrica meno centralizzato, le opportunità offerte dall' introduzione del nuovo mercato dell'energia elettrica e non ultimo il risparmio energetico, sono le tematiche che soprattutto oggi, destano maggiore attenzione verso forme di conversione dell'energia che impiegano impianti di cogenerazione di piccola taglia.. La Cogenerazione distribuita, produzione combinata di energia elettrica e calore in loco, consentendo una migliore utilizzazione dell'energia primaria, determina un aumento di efficienza globale da parte dell'intero sistema elettrico ed energetico, abbattendo inoltre i costi di trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica ed alleggerendo il sistema di produzione nazionale.
Figura 1.2 Produzione combinata
Come si nota dagli schemi, per ottenere le stesse quantità di energia termica ed elettrica bisogna introdurre nell'impianto 148 unità nella produzione separata contro le 100 nella produzione in cogenerazione.
Rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e calore, la cogenerazione comporta un risparmio economico dovuto ad una diminuzione del consumo di combustibile, con conseguenti benefici attraverso la riduzione dell'inquinamento chimico e termico dell'aria e delle acque; in particolare una centrale termoelettrica perde circa il 60% della potenza termica immessa con il combustibile, trasferendo alla sorgente fredda, acqua di mare o fiume, ingenti quantità di calore, causa di nocive alterazioni microclimatiche.
Per dare una idea degli ordini di grandezza si ricorda che un condensatore a superficie di una moderna unità termoelettrica da 320 MW scambia una quantità di calore pari a circa 336.000 Mcal/h con una portata di acqua di raffreddamento di 11,6-13,3 m3/sec. Per quel che riguarda invece l'inquinamento atmosferico, l'attuale produzione termoelettrica provoca emissioni pari a 650 grammi di CO2 per kWhe [1] , mentre per quelli prodotti in cogenerazione con gas metano si emettono
450 g in meno [2]. In generale, un impianto di cogenerazione richiede una accurata verifica di diversi parametri: ore di utilizzo annue, modulazione dei carichi termici ed elettrici, costi di acquisto e di gestione. Sarebbe dunque opportuno eseguire sempre
una simulazione numerica previa all'installazione, al fine di determinare, nella situazione specifica, le condizioni tecnico-economiche più adatte.
Poiché, per esigenze di manutenzione, è possibile il verificarsi dello spegnimento della macchina cogenerativa per alcuni giorni durante l'anno, il dimensionamento delle caldaie di integrazione e della fornitura elettrica viene fatto, di solito, senza tenere conto dell'impianto di cogenerazione.
La quota di cogenerazione rispetto al totale termoelettrico è attualmente in crescita ed il potenziale di penetrazione nel 2010 si può stimare superiore al 30% [3]. Il raggiungimento di questi livelli è condizionato da molteplici fattori. Uno fra tutti è la crescente domanda di Trigenerazione : produzione combinata di energia elettrica ed energia termica, a sua volta utilizzata per fornire caldo e freddo.
Proprio la produzione di freddo, mediante l'impiego di gruppi frigoriferi ad assorbimento, da la possibilità di affiancare i tradizionali gruppi frigoriferi a compressione, ai quali è imputabile il picco di carico elettrico registrato il 17 luglio 2003. In tale data è stato realizzato il record storico nei consumi di energia elettrica che ha raggiunto 53.105 MW, valore superiore di 720 MW rispetto alla precedente punta estiva del 25 giugno 2003 e di 515 MW in rapporto all'ultimo record assoluto, verificatosi il 12 dicembre 2002. E' la prima volta nella storia del sistema elettrico italiano che la punta estiva di domanda risulta superiore a quella invernale. Determinante il caldo torrido che ha indotto ad un ricorso massiccio a condizionatori e alle apparecchiature refrigeranti, tale da provocare il raggiungimento di questi valori nella richiesta di energia elettrica.
All'interno del VI Programma quadro di azione ambientale "Ambiente 2010: il nostro futuro, la nostra scelta", si ritengono insufficienti gli impegni presi per quanto attiene specificatamente al cambiamento climatico (costante innalzamento delle temperature), mentre si ritiene necessaria una riduzione globale dell'ordine del 20-40% dei gas climalteranti, che andrebbe conseguita mediante accordi internazionali efficaci [4]. Conseguentemente, l'impegno della Comunità Europea dovrà mirare a ridurre le emissioni dei gas ad effetto serra grazie a misure specifiche per migliorare l'efficienza energetica, a sfruttare maggiormente le fonti energetiche rinnovabili, a promuovere gli accordi con l'industria e incentivare i risparmi di energia e non
ultimo ad esaminare le sovvenzioni energetiche, verificandone la compatibilità con l'obiettivo di fronteggiare il cambiamento climatico.
Da ciò si evince che il caldo torrido verificatosi la scorsa estate non è considerato un evento occasionale; il cambiamento climatico sta già manifestando il suo impatto sul nostro modello di vita, spingendoci ad un grande utilizzo di refrigeratori nei mesi estivi. La trigenerazione, fornendo calorie utilizzabili per il raffrescamento, permette ingenti risparmi in termini di energia elettrica per la climatizzazione estiva, visto che la tecnologia frigorifera adottata ha irrisori consumi elettrici.
Altresì destagionalizzando l'utilizzo del calore, sfruttato nelle immediate vicinanze del luogo di produzione (perdite contenute), la trigenerazione assolve al duplice scopo di massimizzare lo sfruttamento dell'energia termica e nel contempo di realizzare una produzione di energia elettrica decentralizzata. Si riporta lo schema di principio del funzionamento di una centrale trigenerativa.
Energia Primaria 100%
Motore Endotermico /
Turbina a Gas Alternatore
53% 35% 32% Energia Termica 12% Perdite Figura 1.3
Energia Primaria 100% Motore Endotermico / Turbina a Gas Assorbitore Alternatore 53% 43% 10% 35% 32% 32% 12% Perdite Energia Termica Energia Frigorifera Energia Elettrica 11% Figura 1.4
1.2
Generazione distribuita
[5] Una penetrazione significativa della generazione distribuita è in grado di modificare sensibilmente l'assetto del sistema elettrico italiano, che, dalla sua struttura attuale fortemente centralizzata, potrebbe evolversi verso un modello a struttura mista: centrali - rete di trasmissione - generazione distribuita - rete di distribuzione - utenza. 43% 32% 8% 7% 4% 6% Industria
Discariche, trattamento acque reflue
Ospedali Civile
Piscine, centri sportivi Altri
Dal punto di vista dei distributori, per generazione distribuita si intende la collocazione strategica di unità di generazione di ridotta potenza nominale (10 kW - 10 MW) in strutture prossime agli utilizzatori.
I settori d'applicazione della microgenerazione sono anche quelli a cui si adatta bene la cogenerazione, ma nel caso di ospedali, piscine, alberghi, terziario, industrie con carichi termo-frigoriferi l'opportunità trigenerativa permette il conseguimento di risultati ancor più convincenti.
Nel decennio scorso si è assistito ad un incremento della potenza installata da impianti di microcogenerazione. 0 20 40 60 80 100 120 140 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 M W e 501 - 1000 kWe 201 - 500 kWe 101 - 200 kWe < 50 kWe
Figura 1.6 Potenza elettrica installata cumulativa da impianti di microcogenerazione in Italia - Ripartizione per categorie di potenza delle unità
installate
Dal grafico si evince un crescente utilizzo di impianti anche di taglia molto piccola, grazie all'evoluzione tecnologica che proietta verso sempre più elevati standard di efficienza
La tendenza odierna è di adoperare prevalentemente il gas come fonte primaria di energia, data la possibilità di usufruire di agevolazioni fiscali ed incentivi.
63% 31% 1% 2% 3% Gas naturale Biogas Olio combustibile GPL Altri
Figura 1.7 Ripartizione dei combustibili adoperati negli impianti di microgenerazione
Si è ritenuto opportuno riportare i dati relativi alla cogenerazione in Italia. Ripartizione degli impianti di cogenerazione per settore di utilizzo:
Forniture di gruppi di cogenerazione per macrosettori di applicazione
Industria 75 42% Terziario 50 28% Depurazione 54 30%
Figura 1.8 Potenze da 20 a 300 kW. Totale numero impianti: n.179 pari al 62%
Industria 75 68% Depurazione 17 15% Terziario 19 17%
Figura 1.9 Potenze oltre 300 kW. Totale degli impianti: n.111 pari al 38%
Forniture di gruppi di cogenerazione per distribuzione geografica (N,C,S,I).
Depurazione 127 27% Terziario 91 19% Altri 73 15% Industria 182 39%
Figura 1.10 Numero totale di gruppi forniti 473; i numeri indicano i gruppi, le percentuali la quota del macrosettore
Centro 14% Sud 13% Isole 5% Nord 68%
Figura 1.11 Distribuzione geografica; il valore esprime la quota percentuale per area Metano 57% Biogas 29% Gasolio 9% Altro 5%
Figura 1.12 Alimentazione dei gruppi di cogenerazione: suddivisione % per combustibile A cqua calda 76% A ria calda/gas 9% A ltre 3% A cqua calda/vapore 12%
