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La cogenerazione, o produzione combinata di energia elettrica e calore, consente di ottenere da una singola unità produttiva energia elettrica e termica, o in alcuni casi, lavoro ed energia termica utilizzabile.

Una delle qualità dei sistemi cogenerativi è quella di poter raggiungere rendimenti globali di utilizzo del combustibile anche superiori all'80% estremamente più elevati di qualsiasi altro tipo di impianto alimentato da fonte convenzionale. Ciò comporta una riduzione dei consumi di combustibile fossile a parità di energia fornita all'utente e di conseguenza una riduzione dei costi di produzione della stessa, nonché una forte riduzione delle emissioni inquinanti in atmosfera. La pratica cogenerativa è applicabile in svariati settori dall'industria al residenziale purché vi sia una richiesta contemporanea di energia termica ed elettrica.

Molte applicazioni della cogenerazione infatti sono relative ad installazioni in ospedali, centri sportivi, alberghi, uffici, industrie di vario settore (cartario, alimentare, ceramico, etc.), nonché teleriscaldamento. La potenza degli impianti di cogenerazione può andare da pochi kW a decine di MW a seconda delle esigenze dell'utenza.
Gli impianti di cogenerazione possono essere classificati in base al tipo di motore primo utilizzato ed in particolare si può avere:
Gli impianti di cogenerazione con motore alternativo attualmente presenti sul mercato ed installati vanno da potenze di pochi kW sino a circa 10 MW.
Essi sono mediamente caratterizzati da elevati rendimenti di produzione dell'energia elettrica quasi sempre superiore al 35% già per taglie intorno ai 1000 kW e dal rendere disponibile l'energia termica a differenti livelli di temperatura.

In particolare è possibile utilizzare l'energia termica dei gas di scarico del motore che è ad elevata temperatura (400-550°C) per produzione di vapore, per post-combustione, per fornii di essiccamento, per riscaldamento aria. Tale sorgente di energia termica risulta contenere circa il 50% dell'energia termica complessivamente recuperabile da tali impianti, infatti il restante 50% di energia recuperabile è normalmente contenuta nell'acqua di refrigerazione del motore e nell'olio di lubrificazione ed è resa disponibile ad una temperatura che può variare fra i 70 ed i 120°C.
Per questa caratteristica sui livelli termici di disponibilità dell'energia termica questi impianti sono particolarmente indicati per quelle utenze che necessitano di energia termica per processo e/o condizionamento ambientale a bassa temperatura.

Nel settore della cogenerazione per uso residenziale, ospedaliero, alberghiero e ricreativo sono di gran lunga gli impianti più diffusi e rappresentano di fatto per tali applicazioni la soluzione impiantistica più efficiente ed economica sia come investimento iniziale che come costi di gestione.

Nel settore industriale invece la cogenerazione con motore alternativo ha come concorrente quella con turbogas soprattutto per taglie di impianto dai 4 MW in su e quella con turbovapore per alcuni particolari settori quali il cartario o le distilleria caratterizzati da processi continui e non stagionali che richiedono l'utilizzo di ingenti quantità di vapore.

La grande maggioranza degli impianti cogenerativi con motore alternativo presenti sul territorio nazionale sono alimentati a gas metano, ma esistono anche esempi di impianti alimentati a gasolio, GPL o a biogas.

Una peculiarità degli impianti con motore alternativo è quella di essere in grado di seguire senza eccessive difficoltà e perdite di efficienza i carichi dell'utenza se collegati in parallelo con la rete elettrica e di poter funzionare in maniera discontinua con fermate giornaliere e partenze improvvise su richiesta dell'utenza.
Tale flessibilità di esercizio li rende ancor più idonei per tutte le utenze industriali che non lavorano a ciclo continuo su tre turni, oppure tutte le utenze di tipo civile caratterizzate da notevoli variazioni di richiesta nell'arco del giorno e della settimana ed influenzate dalle condizioni climatiche esterne.

Il costo medio di un impianto di cogenerazione con motore alternativo 'chiavi in mano' è di circa 500 € per kW installato.
Gli impianti di cogenerazione con turbine a gas sono per la quasi totalità impianti di tipo industriale con tagli superiori ai 2 MW. Anche se ultimamente si ha notizia di applicazioni in gran parte pilota e/o sperimentali di mini turbine da alcune centinaia di kW.
Tale condizione è legata ai rendimenti di produzione di energia elettrica di tali impianti, molto più bassi di quelli dei motori alternativi (in special modo per impianti di taglia sino ai 3 MW), e che dunque per poter essere globalmente efficienti, necessitano di utenze con richiesta continua ingenti quantitativi di energia termica ad alta temperatura.
La condizione è verificata esclusivamente da alcune produzioni industriali e non certo da utenze di tipo civile residenziale, o industriale con carattere stagionale e/o con assorbimenti termici confrontabili con quelli elettrici. Gli impianti di cogenerazione con turbogas sono caratterizzati da rendimenti di produzione di energia elettrica mediamente intorno al 25% e con un efficienza complessiva di circa il 70-75% per le migliori applicazioni.

Questi impianti sono anch'essi in gran parte alimentati a gas metano e solo di rado anche con altri combustibili quali oli densi, oli fluidi o gasolio.

Gli impianti con turbogas sono idonei per un funzionamento in continuo che non prevede più di uno spegnimento ed una riaccensione per settimana onde evitare l'accorciamento sensibile degli intervalli di manutenzione e di recisione delle macchine con lievitazione dei costi di gestione. Inoltre anche se in molte applicazioni gli impianti di cogenerazione con turbogas sono regolati in modo da seguire il carico elettrico o termico dell'utenza, il loro funzionamento ottimale si ottiene solo con carichi alquanto prossimi a quello nominale dell'impianto. Il costo medio di un impianto di cogenerazione con turbogas 'chiavi in mano' varia fra i 700 e i 1000 € per kW installato.
Esso risulta più elevato in special modo per le taglie di impianto inferiori ai 3 MW per le quali diventa rilevante l'incidenza dei costi dei vari componenti dell'impianto legati all'utilizzo di una macchina dinamica, da alimentare con combustibile ad elevata pressione e con recupero termico ad alta temperatura.
Gli impianti di cogenerazione con turbine a vapore sono generalmente di taglia non inferiore ai 2 MW e trovano idonea applicazione in settori di produzione industriale per i quali vi è una ingente richiesta di energia termica sotto forma di vapore ed un rapporto fra i fabbisogni di energia elettrica e termica molto basso.
Difatti questi impianti sono caratterizzati da rendimenti di produzione di energia elettrica che raramente superano il 15%, rendendo disponibile quindi circa il 60-70% dell'energia primaria del combustibile come energia termica sotto forma di vapore a varie pressioni e temperature.

Ulteriori esempi di impianti di cogenerazione con turbovapore sono quelli destinati alla produzione di energia elettrica e teleriscaldamento, generalmente diffusi nei paesi per i quali per buona parte dell'anno vi è una richiesta di energia termica da destinare al riscaldamento di civili abitazioni, centri commerciali, ospedali, etc.

Gli impianti di cogenerazione con turbovapore hanno d'altra parte il pregio di poter essere alimentati con i combustibili più vari essendo non essendo la macchina motrice direttamente esposta ai prodotti della combustione come invece avviene nei motori alternativi a c.i. e nella quasi totalità dei turbogas.
I generatori di vapore dell'impianto a vapore possono quindi essere progettati per l'utilizzo di combustibili solidi, liquidi e gassosi e rendono ad esempio possibile l'utilizzo quale fonte primaria di energia anche le biomasse di varia tipologia, provenienza e dimensione.

Anche l'impianto a vapore è caratterizzato, ancor più di quelli con turbogas, da una scarsa flessibilità in quanto a variazioni continue dei carichi e frequenti avviamenti. Normalmente essi vengono regolati in base alle richieste di energia termica dell'utenza e sono destinati ad un funzionamento in continuo con solo i fermi necessari per la manutenzione programmata e/o straordinaria.

Il costo medio di un impianto 'chiavi in mano' può variare di molto soprattutto in funzione dell'efficienza di produzione di energia elettrica che si intende ottenere. In generale per impianti destinati prevalentemente alla cogenerazione in cui non è richiesta un elevato rendimento di produzione di energia elettrica si può valutare tale costo in 400 € per kW installato.
Le celle a combustibile rappresentano una soluzione a lungo termine di grande attrattiva per la generazione distribuita grazie alla prospettiva di elevati rendimenti di conversione, anche su impianti di piccola taglia, a emissioni inquinanti praticamente nulle e alla compatibilità con il vettore energetico idrogeno.

Attraverso lo sviluppo di tecnologie e componenti e la caratterizzazione e ottimizzazione di sistemi completi, l’attività è volta alla messa a punto di sistemi di cogenerazione pre-commerciali da parte delle aziende nazionali con la partecipazione di Università e Enti di ricerca; è anche previsto il supporto alla PA per la definizione di una road map nazionale e per una più efficace partecipazione alle collaborazioni internazionali.

Sono oggetto di sviluppo le tecnologie innovative relative ad impianti basati su celle a combustibile per applicazioni stazionarie cogenerative, eventualmente integrate con microturbine a gas. Le tecnologie dovranno, sia pure in una prospettiva di lungo termine, consentire un abbattimento dei costi specifici di investimento ed il raggiungimento di durate ed affidabilità tali da rendere queste soluzioni economicamente competitive.

In particolare per quanto concerne le celle a combustibile a carbonati fusi, promettenti per generazione distribuita/cogenerazione di taglia compresa tra un centinaio di kW ed alcuni MW, saranno approfondite due tematiche: quella riguardante la messa a punto di sistemi produttivi più efficienti ed economici e di componenti alternativi capaci di aumentare le prestazioni del sistema e quella riguardante l’alimentazione di tali celle con combustibili di vario tipo, quali gas naturale, gas derivati da rifiuti e biomasse.

Per quanto concerne le celle a combustibile ad elettrolita polimerico, saranno studiati i sistemi per generazione/cogenerazione di piccola taglia (da uno a decine di kW) con gas naturale o idrogeno come combustibile.
Schema
Hotel
Hotel
Hotel
Piscine & Wellness
Hotel
Edifici Civili
Hotel
Scuole
Hotel
Ospedali
Hotel
Sale ricevimenti
La trigenerazione è un particolare campo dei sistemi di cogenerazione che, oltre a produrre energia elettrica, consente di utilizzare l’energia termica recuperata dalla trasformazione termodinamica anche per produrre energia frigorifera, ovvero acqua refrigerata per il condizionamento o per i processi industriali, fino alla temperatura di -60°C come acqua glicolata o ammoniaca liquida.
La trasformazione dell’energia termica in energia frigorifera è resa possibile dall’impiego del ciclo frigorifero ad assorbimento il cui funzionamento si basa su trasformazioni di stato del fluido refrigerante in combinazione con la sostanza utilizzata quale assorbente. Le coppie di refrigerante/assorbente usate sono:
  • acqua/bromuro di litio per temperature fino a 4 °C.
  • ammoniaca/acqua per temperature fino a -60 °C.
L'efficienza del ciclo (COP - coefficient of performance), definita come il rapporto fra energia frigorifera in uscita e l'energia termica in ingresso, varia da 0.7 a 1.3 in funzione degli stadi di riconcentrazione della soluzione, della temperatura di alimentazione, della temperatura del fluido refrigerato e della temperatura di condensazione. Nei sistemi trigenerativi, l'evoluzione delle tecnologie costruttive consente, oggi, di alimentare il ciclo con acqua calda a partire da 60 °C, vapore, gas esausti di combustione.
Poiché l'energia meccanica necessaria ad un ciclo a compressione di vapore, nel ciclo ad assorbimento, è sostituita dall'energia termica, l'energia meccanica (quindi elettrica) è limitata alla pompa del vuoto, alla pompa della soluzione e del refrigerante.
Rispetto alla generazione di sola energia elettrica, in un sistema di trigenerazione il rendimento globale aumenta perché viene sfruttata una maggiore percentuale del potere calorifico del combustibile; si tenga presente che le centrali termoelettriche convenzionali convertono circa un 1/3 dell'energia del combustibile in elettricità (il resto è perso in calore), mentre in un impianto trigenerativo più di 4/5 della stessa energia è sfruttata visto che il calore è recuperato direttamente (funzionamento cogenerativo) o come fonte per un ciclo frigorifero ad assorbimento (funzionamento trigenerativo).
Rispetto all'energia frigorifera i COP sono molto più bassi che nei condizionatori tradizionali, ma la sorgente energetica è il 'poco pregiato' calore di scarto (proveniente dal processo di generazione elettrica) rispetto alla pregiata energia elettrica (migliore rendimento exergetico).
I principali vantaggi della trigenerazione sono:
  • Alta efficienza e consumo elettrico irrisorio: per produrre 2000 kW freddi, l'assorbitore consuma 10 kW elettrici
  • Lunga vita operativa (20-30 anni) ed elevata affidabilità, grazie al limitato numero di parti meccaniche in movimento
  • Bassa manutenzione e gestione semplice: oneri economici irrilevanti specie se confrontati con i frigoriferi elettrici
  • Ecologico: la soluzione al Bromuro di Litio è eco-compatibile e non inquinante
  • Balance Cycle: un particolare brevetto Century che previene fisicamente la cristallizzazione
  • Pannello di controllo: gestisce autonomamente tutti i parametri interni e, sulla base di questi, le operazioni necessarie.
Schema
Hotel
Impianti a cogenerazione
Hotel
Impianti a cippato e biomassa legnosa
Hotel
Processi di scarto con calore di scarto
Hotel
Impianti a pannelli solari
Hotel
Impegno di elettricità allacciato alla rete gas
Hotel
Impianti di termovalorizzazione
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