Cogenerazione
Energia elettrica ed energia termica, di solito, vengono prodotte da impianti separati. Infatti:
per produrre energia elettrica si utilizzano centrali termoelettriche che disperdono nell'ambiente calore a bassa temperatura;
per produrre la sola energia termica si utilizzano le caldaie che convertono l'energia primaria del combustibile in energia termica.
Un impianto di cogenerazione permette la produzione simultanea, in un unico processo, di energia termica ed elettrica, garantendo un significativo risparmio energetico dettato dal minor consumo di combustibile. Con un impianto di questo tipo dunque non e' necessario installare una caldaia ed acquistare l'energia elettrica dalla rete.
Gli impianti di cogenerazione nascono dall'esigenza di aumentare l'efficienza dei sistemi di generazione di energia elettrica, sfruttando, per altro uso (industriale o civile), il calore normalmente dissipato da un impianto termoelettrico. Ovviamente, nel ciclo di produzione combinata non tutto il calore dissipato viene recuperato, una porzione se ne disperde comunque nell'ambiente.
Fasi di produzione di un impianto termoelettrico (a sinistra) e di un impianto di cogenerazione (a destra):
Gli elememti principali che permetto ad un impianto di cogenerazione di funzionare sono:
un motore primario;
un generatore elettrico che, attivato dall'impianto motore, converte l'energia meccanica in elettricita';
degli scambiatori di calore che hanno la funzione di recuperare il calore.
I Combustibili negli Impianti di Cogenerazione
I tipi di combustibile che un impianto di cogenerazione utilizza possono essere:
combustibili di origine fossile - gas naturale, gasolio, olio combustibile, carbone;
combustibili da rifiuti solidi;
biogas proveniente da discariche o depuratori;
combustibili da biomasse - cippato legnoso, scarti agricoli e forestali.
Il gas naturale ed il biogas sono i combustibili piu' idonei per motori a combustione interna e per turbine e microturbine a gas.
Il carbone e le biomasse legnose sono combustibili adatti alle grandi turbine a vapore o ai turbogeneratori ORC.
I combustibili liquidi sono i piu' indicati nei grandi impianti a ciclo combinato.
Gli impianti di cogenerazione in base alla natura della biomassa utilizzata si possono distinguere in:
Impianti di cogenerazione a biomassa grezza - in questo caso la biomassa prima di confluire nel bruciatore viene preparata in una forma facilmente combustibile (essiccata e sminuzzata o pressata).
Impianti di cogenerazione a biomassa trasformata - rappresentano il maggior numero di impianti di cogenerazione alimentati dalle biomasse. Questa tipologia impiantistica prevede una preliminare trasformazione delle sostanze organiche mediante processi di conversione termochimica, biochimica e chimico-fisica, al fine di concentrare il contenuto energetico della biomassa in vettori di piu' facile trasporto ed utilizzo. A tal proposito bisogna specificare che ogni biomassa grezza occupa un volume molto grande per unita' di massa e quindi non e' facile da trasportare. Inoltre, il contenuto energetico, per quantita' di volume, delle biomasse e' basso e difficile da sfruttare totalmente, anche nel caso di una loro completa combustione. Il motivo e' in parte da attribuire alla complessa composizione della biomassa stassa ed in parte al consistente contenuto di umidita' in essa presente, che, in termini energetici, e' molto costoso da eliminare.
Impianti di cogenerazione a gas da biomassa - il funzionamento di questi impianti, qualunque sia la tipologia di combustibile gassoso utilizzato (biogas, syngas), puo' essere schematizzato come in figura:
Il motore, alimentato dal biogas o dal syngas, grazie ad un generatore, converte l'energia primaria, rappresentata dal combustibile, in energia elettrica. Il calore dissipato nei circuiti di raffreddamento e nei fumi di scarico viene recuperato ed autoconsumato per riscaldare gli ambienti o per alimentare cicli produttivi.
Rendimento di un Impianto a Cogenerazione
Sulla base della potenza che gli impianti a cogenerazione possono fornire e' possibile distinguerli in:
Impianti di media e grande cogenerazione - sono impianti la cui fascia di potenza e' compresa fra 1 MWe e 50 MWe o anche maggiore. Si usano in genere nelle industrie, ma vengono realizzati anche in ambito civile e residenziale, come ad esempio negli ospedali o in grandi impianti urbani capaci di alimentare e riscaldare un'intera citta'.
Impianti di piccola cogenerazione - si tratta di impianti con capacita' installata inferiore a 1 Mwe.
Impianti di micro-cogenerazione - sono impianti con capacita' massima inferiore ai 50 kWe ed in genere sono utilizzati dagli alberghi e dagli hotel, dai centri residenziali, da centri sportivi, serre, supermercati, ma sono idonei anche per uso domestico.
Tecnologie di Cogenerazione
Le tecnologie tradizionali di impianti di cogenerazione sono caratterizzate dai seguenti tipi di motori:
motori a combustione interna;
turbine a gas;
turbine a vapore;
turbina a gas/turbina a vapore, in impianti a ciclo combinato.
I motori a combustione interna e le turbine a gas trovano applicazione sia su impianti di potenza elevata, che su sistemi di mini e micro-cogenerazione; mentre gli impianti con turbine a vapore e quelli a ciclo combinato “turbina a gas/turbina a vapore” sono caratterizzati da potenza elevata e quindi vengono usati quasi esclusivamente per applicazioni industriali.
Le tecnologie piu' moderne sono quelle che come motore primario fanno uso di:
turbogeneratori ORC;
microturbine;
Le tecnologie innovative, ossia le soluzioni piu' avanzate nel campo della cogenerazione, comprendono:
impianti con celle a combustibile (fuel-cells);
impianti con motori Stirling.
Ambiti di Applicazione degli Impianti di Cogenerazione
L'energia termica (vapore, acqua calda/surriscaldata o aria calda) prodotta da un impianto di cogenerzione viene comunemente utilizzata per processi industriali o per il riscaldamento urbano tramite reti di teleriscaldamento. Invece, l'energia elettrica prodotta viene consumata sul posto di produzione, oppure viene esportata verso la rete di distribuzione.
Le utenze che possono trarre maggiori benefici dalla cogenerazione sono quelle caratterizzate da una domanda di energia termica ed elettrica costante nel tempo e sono:
ospedali e cliniche;
piscine e centri sportivi;
centri commerciali;
cartiere;
industrie alimentari;
industrie di raffinazione del petrolio;
industrie chimiche e farmaceutiche;
industrie della ceramica;
industria tessile;
industria per la produzione di materiali plastici.
Vantaggi e Aspetti Negativi della Cogenerazione
I vantaggi che contraddistinguono gli impianti di cogenerazione sono sintetizzabili nei seguenti punti:
Riduzione del consumo dell'energia primaria (combustibile) - la stessa energia puo' essere sfruttata per produrre elettricita' e calore. In sostanza si ottiene una diminuzione dei consumi dell'ordine del (35-40)% e quindi un miglioramento del rendimento complessivo.
Diminuzione delle emissioni di sostanze inquinanti associate alla produzione di energia termoelettrica.
Riduzione delle perdite di trasmissione per la distribuzione ed il trasporto dell'energia - questo aspetto si giustifica con la localizzazione degli impianti che, nella maggior parte dei casi, e' nelle vicinanze dell'utenza.
Funzionamento degli impianti solitamente in modalita' stand alone - gli impianti di cogenerazione non sono connessi ad alcuna rete di distribuzione, per cui sfruttano l'energia prodotta direttamente sul posto; cio' minimizza i rischi di interruzione dell'energia dovuti a problematiche di rete.
Gli aspetti negativi dipendono sostanzialmente dalla qualita' della biomassa grezza. Per esempio, dalla FORSU o dai liquami degli impianti di depurazione si ricava un biogas che deve essere puntualmente purificato prima di essere inviato al cogeneratore a biogas. Cio' comporta un uteriore dispendio di energia e costi aggiuntivi.
TRIGENERAZIONE
Gli impianti di trigenerazione sono efficienti sistemi che permettono la produzione combinata, da un unico impianto, di elettricita', calore e freddo. In pratica, un trigeneratore e' un impianto di cogenerazione a cui viene abbinato un assorbitore frigorifero a bromuro di litio, che utilizza parte del calore derivante dalla cogenerazione per produrre freddo sotto forma di acqua refrigerata (>7°C). Il freddo cosi' prodotto viene impiegato nei sistemi di condizionamento degli edifici o per usi industriali. Rispetto alla sola produzione di calore ed elettricita', la trigenerazione consente di sfruttare pienamente le potenzialita' dell'impianto anche in estate, quando viene meno l'esigenza di riscaldamento.