COGENERAZIONE - studio ingegneria fulvio sassi

La convenienza tecnico-economica nella realizzazione di un impianto di cogenerazione non può non prescindere da un analisi specifica ed accurata dei carichi elettrici, termici e frigoriferi (se si tratta di un impianto trigenerativo), richiesti dall’utenza.
L’analisi deve valutare la potenza massima richiesta, curve di carico giornalieri, mensili e stagionali. Questo fatto rende l’applicazione di un sistema cogenerativo assolutamente non generalizzabile, ma la scelta opportuna della tecnologia, della taglia e della/delle modalità di gestione dell’impianto devono essere comunque valutate caso per caso.
Per una orientazione di massima sulla tecnologia idonea ad una certa applicazione esistono diagrammi a mosaico, ma per una scelta ponderata è necessario ricorrere a strumenti di simulazione che permettano di confrontare tra loro varie ipotesi impiantistiche e taglie di impianti. Questo costituisce una parte fondamentale dello studio di fattibilità, che in generale prevede una sequenza di attività come illustrato nella figura a lato.

Una sintetica introduzione alla Cogenerazione

Gran parte dell’energia elettrica generata in Italia e nel mondo proviene da impianti motori termici, nei quali calore ad alta temperatura viene prima convertito in energia meccanica e quindi in energia elettrica per mezzo di generatori elettrici.
Il calore delle centrali termoelettriche proviene dalla combustione del combustibile immesso (carbone, gas naturale, frazioni del petrolio, biomasse etc). La conversione da calore ad energia meccanica, che è la trasformazione più complessa, avviene sfruttando un ciclo termodinamico. Esistono parecchi cicli termodinamici, ma i più diffusi, nei grossi impianti di potenza, sono i cicli a vapore (cicli Rankine e Hirn) ed il ciclo Brayton-Joule degli impianti turbogas.
In generale, indipendentemente dal ciclo termodinamico sfruttato, il secondo principio della termodinamica stabilisce che non tutto il calore fornito può essere trasformato in lavoro; il limite massimo teorico della quota di calore effettivamente convertibile in lavoro è fissato dal rendimento del ciclo di Carnot. Quello che accade in un generico impianto termoelettrico a combustibile, può dunque essere schematizzato come da Fig. 1a.
L’impianto viene alimentato con un certo quantitativo di combustibile a cui corrisponde una energia chimica Ec (è l’energia che si libera durante il processo di combustione). L’impianto, attraverso una serie di trasformazioni, fornisce l’energia elettrica Eel. Il rendimento globale di conversione dell’impianto (ηg) misura quanta dell’energia fornita dal combustibile è effettivamente trasformata in energia elettrica:
ηg=Eel / Ec
Un valore indicativo di ηg è 0,35: ciò significa che solo il 35% dell’energia introdotta nell’impianto è effettivamente convertito in energia elettrica, mentre il restante 65% dell’energia viene di fatto perduta. La maggior parte di questa quota di energia non sfruttata viene persa sotto forma del calore Q2 scaricato dal ciclo termodinamico; a titolo indicativo si può dire che il calore Q2 ceduto dall’impianto vale circa il 55% dell’energia introdotta mentre il restante 10% rappresenta altre perdite di vario genere (Ep).
La cogenerazione, fig. 1b, nasce dunque dal tentativo di recuperare in maniera utile tutto o parte di questo calore Q2 che deve necessariamente essere scaricato da un impianto motore termico. Tale calore in certi casi può essere utilizzato utilmente nell'industria, ad esempio sotto forma di vapore, oppure può essere destinato ad usi civili, come il per riscaldamento degli edifici. Qualora l’impianto abbia tali caratteristiche si parla di produzione combinata di energia elettrica e calore. Gli impianti di produzione combinata, dunque, convertono energia primaria, in energia elettrica ed in energia termica (calore), prodotte congiuntamente ed entrambe considerate utili.
La produzione combinata di energia elettrica e calore in uno stesso impianto prende solitamente il nome di cogenerazione ed è spesso indicata con l’acronimo inglese CHP (Combined Heat and Power).

Vantaggi della Cogenerazione

Limiti della Cogenerazione

Le tecnologie - sintetica matrice comparativa

Dalla Cogenerazione alla Trigenerazione

Un sistema cogenerativo è utilizzato in maniera efficiente quando è presente l’utenza termica e quando tale utenza è contemporanea a quella elettrica.
Tuttavia sistemi cogenerativi applicati soprattutto al settore residenziale o terziario soffrono il fatto che quasi certamente l’utenza termica richiede energia solo in inverno per il riscaldamento degli edifici. Ciò significa che nei mesi più caldi bisogna tenere fermo l’impianto cogenerativo o farlo funzionare dissipando il calore prodotto, ciò andrebbe a discapito della fattibilità economica dell’impianto e dell’efficienza complessiva.
Qui entra in gioco la TRIGENERAZIONE, poichè esistono in commercio sistemi frigoriferi ad assorbimento (chiller ad assorbimento) con i quali è possibile generare energia frigorifera utilizzando calore come sorgente principale di energia, anziché elettricità. Tali sistemi si sposano certamente bene con un impianto cogenerativo giacché rendono possibile lo sfruttamento dell’impianto anche nei mesi estivi, ed il cascame termico prodotto dall’unità cogenerativa può essere impiegato per far funzionare il sistema frigorifero. Un sistema trigenerativo è dunque un sistema capace di produrre tre forme distinte di energia (energia elettrica, termica e frigorifera), tutte intese come effetti utili. La trigenerazione viene a volte indicata con la sigla inglese CCHP, acronimo di Combined Cooling, Heating and Power.