Cogenerazione

La cogenerazione è una tecnologia di produzione combinata di energia elettrica e termica ad alta efficienza, realizzata con motori endotermici o turbine (per gli impianti di maggior potenza). 

Impianto di cogenerazione

 

Il calore di scarico del motore o della turbina impiegate per produrre elettricità, grazie alla cogenerazione, non viene disperso in atmosfera, ma riutilizzato per produrre acqua calda, acqua surriscaldata, vapore, fumi per l’essiccamento industriale, oppure un'ulteriore quota di energia elettrica (ciclo combinato).

Questo recupero del calore generato durante la combustione consente di raggiungere un’efficienza energetica superiore al 90% (un impianto convenzionale di produzione di energia elettrica ha una efficienza energetica pari a circa il 45%, il restante, viene disperso).

La cogenerazione è una delle soluzioni più interessanti ed efficienti per soddisfare il fabbisogno energetico (elettrico, termico e frigorifero) di strutture pubbliche e imprese.

I moduli di cogenerazione sono studiati e ingegnerizzati in funzione delle caratteristiche energetiche del sito e degli spazi disponibili, di conseguenza potremmo trovare impianti di cogenerazione installati all’interno di edifici o, come spesso accade nelle realtà industriali, la cogenerazione viene fornita in soluzioni all'interno di container, per velocizzare l’installazione e minimizzare le interferenze con gli impianti esistenti.

I tempi di rientro dell'investimento possono variare dai 4 agli 8 anni.

Ambiti di utilizzo

Gli impianti di cogenerazione vengono prevalentemente utilizzati per l’autoconsumo:

  • abbinati a reti di teleriscaldamento (l’energia termica viene immessa sotto forma di acqua surriscaldata)
  • nei siti produttivi dei settori industriali che hanno una domanda costante di energia termica ed elettrica (automotive, agroalimentare, farmaceutico, tessile, ceramico, chimico, petrolchimico, plastico, packaging, lavorazione carta…)
  • per riscaldare e fornire acqua calda sanitaria nel residenziale pubblico (ospedali, scuole, residenze per anziani) e privato (cliniche, strutture ricettive, grande distribuzione, centri sportivi, super condomini).

Abbinato a un assorbitore, l’impianto di cogenerazione può essere trasformato in un impianto di trigenerazione, capace di produrre anche l’energia frigorifera, fondamentale per dare la continuità di funzionamento durante il periodo estivo quando la domanda di energia termica è minima.

Principali tipologie di impianto di cogenerazione

Motore endotermico e turbina

Motore endotermico

Se l’utenza ha un’ impronta energetica spostata verso l’energia elettrica e richiede energia termica a bassa entalpia, il motore endotermico rappresenta spesso la soluzione migliore. Il motore a combustione interna può essere alimentato da fonti di origine fossile, rifiuti o biomasse. Il generatore elettrico converte l’energia meccanica in elettricità e gli scambiatori di calore utilizzano il calore residuo. I motori hanno dimensioni più ridotte delle turbine e hanno un rendimento elettrico maggiore di quello di una turbina in caso di impianti di media taglia.

Vantaggi motore endotermico

Svantaggi

I motori endotermici sono più semplici da realizzare (motori di derivazioni marina). Hanno meno componenti complessi e sono più robusti. Sono meno sensibili alle variazioni delle condizioni esterne.

Rumorosità e vibrazioni

Il motore cogenerativo può produrre sia acqua calda che vapore a media pressione.

Il calore prodotto dal motore deve essere sempre dissipato (drycooler)

Ottimi rendimenti, maggiori i rendimenti elettrici se paragonati alle Turbine a gas

Costo manutenzione più elevato per kWh

Necessità di spazio contenuta. Disponibilità di soluzione in container e modulari.

Emissioni più elevate rispetto alla turbina a gas, necessari sistemi abbattimento in alcune regioni.

Tempi di realizzazione molto contenuti.

 

 

Turbina a gas o a vapore

Le turbine a gas o a vapore rappresentano un’ottima alternativa ai motori endotermici soprattutto per gli impianti più grandi.

Le turbine a gas hanno potenze che vanno di norma da 700 a 18.000 KW (gli impianti più importanti possono arrivare a 200 MW). I costi di installazione e manutenzione sono inferiori rispetto a quelli dei motori alternativi. Le dimensioni ridotte, la rapida posa in opera, la possibilità di ottenere energia termica a temperatura elevata e le ridotte emissioni in atmosfera, sono i principali punti di forza di questa soluzione.

La turbina a vapore può essere a condensazione (se si privilegia la produzione di energia elettrica), a derivazione e spillamento o a contropressione (se si preferisce ricavare vapore per uso di processo o teleriscaldamento).

Vantaggi turbina a gas

Svantaggi

La temperatura dei gas di scarico è maggiore rispetto al motore endotermico e per questo trova maggiori applicazioni di utilizzo, quali, la produzione di vapore ad alta entalpia, la produzione di acqua surriscaldata e per impianti complessi (Cicli combinati) anche la produzione di ulteriore energia elettrica.

La turbina a gas è un impianto complesso

Il recupero di calore trova applicazioni in diversi campi, anche nell'essiccazione diretta di prodotti industriali

È di difficile installazione

Particolarmente interessante per applicazioni industriali (vapore ad alta pressione, gas caldi)

Costo investimento più elevati a parità di potenza elettrica

Recupero termico non influenza le prestazioni della turbina

Lavoro costante, lo start and stop non è indicato per queste macchine

Rumore limitato

In caso di taglie piccole il rendimento elettrico è basso

Non necessita di raffreddamento

Le prestazioni sono sensibili a ogni cambiamento di pressione, o temperature esterna

Manutenzione limitata, Basse emissioni inquinanti, Lunga vita operativa

 

 

In alcune applicazioni, i sistemi ibridi motore-turbina possono essere utili. Si consideri un impianto che ha un carico variabile con picchi a 20 MW, un carico termico sostanziale che necessita vapore di alta qualità e altri carichi di calore che utilizzano calore di qualità inferiore. Tale applicazione potrebbe essere ben servita da:

  • una turbina da 10 MW che fornisce carico di base e vapore
  • 5 MW di motori alternativi che funzionano in continuo e producono acqua calda
  • un ulteriore 5 MW di motori senza recupero di calore, a seguito della parte variabile del carico elettrico.

Schema semplificato gruppo cogenerazione

  • Scambiatore di calore intercooler - acqua calda (1° stadio)
  • Scambiatore di calore intercooler - acqua circuito radiatore a tavola (2° stadio)
  • Scambiatore di calore olio - acqua calda
  • Scambiatore di calore acqua motore - acqua calda
  • Scambiatore di calore gas di scarico - acqua calda
  • Scambiatore di calore di recupero.

Ciclo combinato

Le turbine possono essere assai efficienti (fino al 60%) quando il calore dei gas di scarico è recuperato da una caldaia dotata di evaporatore e surriscaldatore che produce vapore e successivamente espanso in una turbina a vapore, realizzando il cosiddetto ciclo combinato.

I gas di scarico del turbogas vengono utilizzati per produrre vapore ad alta pressione che viene inviato in una turbina a vapore in modo da ottenere altra energia elettrica (oltre a quella prodotta con il turbogas).

Nel caso di siti industriali di grandi dimensioni, che hanno un’impronta energetica spostata verso l’energia termica ad alta entalpia (vapore ad alta pressione), la Turbina a gas con ciclo combinato potrebbe essere vincente.

Sono molteplici gli schemi di impianto, in quanto possono variare il tipo di turbina e la caldaia di recupero (cicli a recupero semplice, con postcombustione, a combustione totale). Nel ciclo con recupero semplice, la caldaia viene installata allo scarico della turbina a gas.

Cogenerazione ad alto rendimento

Un impianto di cogenerazione per essere riconosciuto ad Alto Rendimento" (CAR) deve rispettare alcuni standard di produzione di energia elettrica/meccanica e termica definiti dal Decreto legislativo 8 febbraio 2007, n. 20 e dal decreto integrativo DM 4 agosto 2011. In Italia, gli incentivi previsti dai Certificati bianchi sono riconosciuti solo agli impianti di cogenerazione che ottengono la qualifica CAR.

Criteri e parametri di scelta

Per scegliere un sistema di cogenerazione è necessario:

  • analizzare le esigenze e i fabbisogni di energia elettrica e termica (potenza massima richiesta e rapporto tra potenza termica e elettrica)
  • definire la temperatura massima richiesta dall’utenza per lo sfruttamento del calore recuperato
  • considerare le curve dei carichi termici ed elettrici nel tempo.

Per quantificare la convenienza economica e definire i risparmi raggiungibili grazie a un impianto di cogenerazione, vanno aggiunti i costi di gestione ai costi di acquisto e installazione e l’eventuale contributo di incentivi pubblici.

Potenza richiesta

  • Se potenza elevata (+7/10MW) --> Turbina a gas
  • Se potenza media o bassa --> Motore

Combustibile usato

  • Se combustibile usato divers dal gas --> Turbina a gas

Tempo di avvio richiesto

  • Se startup time rapido necessario --> Motore

Tipo di funzionamento

  • Costante h24 --> Turbina a gas o Motore
  • Variabile --> Motore

Tolleranza di emissioni

  • Se limite vincolante --> Turbina a gas o in alternativa motore con sistema di abbattimento

Costi

  • Se investimento limitato --> Motore

Vantaggi della cogenerazione

  • La produzione simultanea di energia elettrica e termica incrementa l’efficienza di utilizzo dei combustibili con un risparmio fino al 30%
  • Riduzione dell’impatto ambientale e delle emissioni con miglioramenti della reputazione del brand
  • La generazione in loco di energia consente di preservare la sicurezza e la stabilità dell’approvvigionamento, riducendo la dipendenza dalla rete elettrica
  • Possibilità di nessun investimento iniziale da parte del cliente se affiancato da società ESCO capaci di farsi carico dell’investimento iniziale, di gestire tutte le fasi dell’intervento dalla progettazione alla gestione, garantendo un significativo risparmio economico ed energetico.
  • Monitoraggio e telecontrollo da remoto per prevenire e risolvere le anomalie.

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