Con il temine cogenerazione si intende la produzione contemporanea di energia elettrica (e/o meccanica) e termica attraverso un unico processo di generazione.
L’ottimizzazione energetica in unico processo di generazione consente vantaggi rilevanti rispetto alla generazione delle stesse quantità di energia prodotte con processi separati.
Questo vantaggio risulta evidente dal semplice confronto riportato nelle due figure seguenti, in cui, a fronte di uguali quantitativi energetici da rendere disponibili presso le utenze termica ed elettrica, il sistema cogenerativo utilizza un quantitativo di combustibile inferiore (in molti casi anche in modo marcato) rispetto al quantitativo complessivo necessario per la generazione separata. Quest’ultima considera per l’elettricità il parco di generazione nazionale e per il calore un sistema di generazione locale di tipo convenzionale (caldaia tradizionale).
Figura 1. Efficienza energetica del sistema convenzionale.
Figura 2. Efficienza energetica di sistema cogenerativo.
Nella cogenerazione il calore prodotto dalle macchine per la generazione elettrica è recuperato, sotto forma di acqua calda o vapore o altro (es. olio diatermico, attraverso appositi sistemi di scambio), ed utilizzato sia come calore di processo (per processi industriali quali ad esempio l’essicazione e il riscaldamento) sia per la climatizzazione ambientale e la produzione di ACS.
Ulteriori cascami termici o esuberi di produzione termica possono essere utilizzati in macchine frigorifere ad assorbimento per la produzione del freddo o in unità di trattamento dell’aria. La produzione del freddo si può ottenere anche con sistemi frigoriferi a compressione alimentati con l’elettricità prodotta dal sistema cogenerativo. Se si ha produzione contemporanea anche di freddo si parla di trigenerazione.
I sistemi frigoriferi a compressione, se invertibili (funzionamento a pompa di calore), possono fornire ulteriori quantitativi di energia termica.
L’utilizzo di sistemi cogenerativi installati presso le utenze finali consente i seguenti vantaggi:
- elevata efficienza complessiva ηg
- bassi costi di manutenzione (variabli in funzione della tecnologia cogenerativa utilizzata)
- bassi livelli di emissioni complessive (CO2, NOX, ecc.)
- elevata affidabilità degli impianti dovuta alla maturità delle tecnologie CHP
- indipendenza (parziale o totale) dalla rete elettrica, con conseguente riduzione delle perdite di produzione imputabili alle interruzioni nella fornitura elettrica
Efficienza complessiva ηg del sistema cogenerativo
ηg = ηe + ηt = (Ee+Et)/Ec
dove
ηe = efficienza elettrica = Ee / Ec
ηt = efficienza termica = Et / Ec
Ee = energia elettrica prodotta
Et = energia termica prodotta
Ec = energia contenuta nel combustibile consumato |
Condizioni essenziali per una conveniente applicazione della cogenerazione sono le seguenti:
- contemporaneità di richiesta di energia termica (e/o frigorifera) ed elettrica, e/o possibilità di accumulo di caldo/freddo e scambio/vendita di elettricità alla rete;
- idoneo rapporto carico elettrico / carico termico delle utenze da abbinare all’indice elettrico (rapporto tra la potenza elettrica e la potenza termica generate dalla macchina);
- disponibilità commerciale di macchine di potenza corrispondente alla potenza calcolata che ottimizza il risparmio energetico.
Le tecnologie cogenerative tradizionali, sviluppate in ambito industriale sono:
- motori alternativi a combustione interna (MCI)
- turbine a gas (TG)
- turbine a vapore (TV)
- cicli combinati: turbine a gas + turbina a vapore (CCC)
- celle a combustibile (FC)
La tabella e la figura seguenti definiscono i campi di applicazione delle varie tecnologie cogenerative: si può vedere che nei settori civile e terziario le tecnologie maggiormente utilizzate sono: motori alternativi a combustione interna, turbine a gas di piccola taglia e celle a combustibile.
| Potenza elettrica |
Tecnologia impiegata |
| Pe < 1 MW |
MCI, TG, FC |
| 1 MW < Pe < 10 MW |
MCI, TG, TV |
| Pe > 10 MW |
TG, TV, CCC |
 Campi di applicazione delle differenti tecnologie di cogenerazione (Fonte: Libro Bianco sulla cogenerazione – ATIG, 1997).
La seguente tabella (Fonte: FIRE – www.fire-italia.it) riassume le principali caratteristiche tecniche ed economico-finanziarie relative alle varie tecnologie di cogenerazione.
Sono definiti i seguenti parametri:
- Rendimento complessivo o globale (ηg): rapporto tra la somma della potenza termica ed elettrica generate e la potenza primaria in ingresso;
- Rendimento elettrico (ηg): rapporto tra la potenza elettrica generata e la potenza primaria in ingresso;
- Rendimento termico (ηt): rapporto tra la potenza termica generata e la potenza primaria in ingresso;
- Indice elettrico (Ie): rapporto tra la potenza elettrica e la potenza termica generate.
| Tipologia impiantistica |
MCI (*) |
TG |
TV
|
FC |
CCC |
| Rendimento complessivo [%] |
70-85
|
75-90 |
70-85 |
70-85
|
60-85 |
| Rendimento elettrico [%] |
25-50
|
10-30
|
20-38
|
40-60
|
35-55 |
| Rendimento termico [%] |
30-45 |
60-75 |
35-50 |
35-45 |
10-45 |
| Indice elettrico |
0,2-0,5 |
0,1-0,2 |
0,2-0,8 |
0,2-0,8 |
0,8-10,0 |
| Investimento [€] |
700-900 |
2.000-3.000 |
500-1.300 |
3.000-4.000 |
600-1.400 |
| Costo manutenzione [c€] |
1,0-1,6 |
0,3-0,5 |
0,6-0,8 |
n.d. |
0,4-0,6 |
| Combustibili (**) |
M,G |
tutti |
M,G |
H,M |
M,G |
(*) I valori del rendimento sono riferiti al recupero di tutto il calore disponibile; nel caso in cui si sfruttino solo i gas di scarico il rendimento complessivo cala del 15-30%.
(**) M: gas naturale; G:gasolio; H: idrogeno e metanolo |
Questa sezione approfondisce le tecnologie per la generazione di energia elettrica in assetto cogenerativo con riferimento alle taglie di potenza elettrica nominale fino a 10 MVA, identificanti sistemi di Generazione Distribuita (GD) secondo la definizione data dall’Autorità per l’Energia Elettrica e il Gas (AEEG).
È scaricabile il rapporto “Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario” realizzato dall’Università di Bologna (DIEM) e dall’Università di Ferrara (Dipartimento di Ingegneria), in collaborazione con ENEA e FIRE.
Il rapporto pone particolare attenzione alle tecnologie con potenza utile elettrica limitata ad 1 MW, che corrisponde alla potenza nominale massima dei sistemi indicati dalla normativa vigente (decreto legislativo n. 20 del 8 febbraio 2007) come sistemi di Piccola Generazione (PG). Sono analizzate le principali caratteristiche di funzionamento, le prestazioni energetiche e quelle ambientali.
Inoltre vengono fornite informazioni relative ai settori di applicazione e al potenziale di diffusione, evidenziando eventuali limiti e/o barriere. Si riportano anche alcuni esempi realizzativi di interesse nell’ambito nazionale.
Le principali tecnologie elettriche innovative a combustibile per la cogenerazione sotto i 10 MVA trattate sono le seguenti:
La tabella seguente mostra il grado di sviluppo e di diffusione delle varie tecnologie:
| Tecnologie |
Combustibile |
Tecnologia
(1) |
Diffusione
(2) |
| Motori a combustione interna |
gas naturale, gasolio |
C |
***** |
| biogas, biocarburanti |
C |
**** |
| oli vegetali |
D |
*** |
Turbine a gas di taglia medio-piccola
(1-10 MWe) |
gas naturale |
C |
*** |
| biogas |
D |
** |
| Microturbine a gas |
gas naturale |
C |
*** |
| biogas |
D |
** |
| Impianti con turbine a vapore |
combustibili fossili, rifiuti e biomasse di diversa natura |
C |
***** |
| Cicli Rankine a fluido organico |
combustibili fossili, biomasse |
C |
***** |
| Micro-cicli Rankine |
combustibili fossili, biomasse |
D |
— |
| Cicli combinati |
gas naturale |
C |
** |
| biogas |
D |
* |
| Motori Stirling |
combustibili fossili, biomasse |
D |
— |
| Celle a combustibile |
idrogeno, metanolo, gas naturale, GPL |
P |
— |
| Termo-fotovoltaico |
Combustibili fossili, biomasse |
P |
— |
|
(1) C = consolidata, D = disponibile, P = a livello di prototipo.
(2) da una a cinque * in base alla diffusione.
|
La figura seguente mostra un sistema di generazione integrato a servizio di utenze eltettriche, termiche e frigorifere. Come evidenziato, le tecnologie elettriche per la cogenerazione si integrano con le tecnologie ausiliarie, di tipo elettrico e non elettrico, servendosi di esse per la produzione del caldo e del freddo: i flussi di energia prodotti dal sistema di cogenerazione possono essere convogliati direttamente alle utenze, oppure impiegati in sistemi ausiliari per la produzione indiretta di freddo o di caldo.
Sono inoltre analizzate le seguenti tecnologie elettriche e non elettriche per la produzione del freddo e del caldo:
Tecnologie elettriche e non elettriche per il caldo
| Tecnologie |
Tecnologia
(1) |
Diffusione
(2) |
| Pompe di calore ad azionamento elettrico |
C |
***** |
| Pompe di calore ad azionamento meccanico |
C |
**** |
| Pompe di calore ad assorbimento |
C |
** |
Tecnologie elettriche e non elettriche per il freddo
| Tecnologie |
Tecnologia
(1) |
Diffusione
(2) |
| Frigoriferi ad azionamento elettrico |
C |
***** |
| Frigoriferi ad azionamento meccanico |
C |
**** |
| Frigoriferi ad assorbimento |
C |
*** |
| Desiccant cooling |
D |
* |
La delibera n. 42 del 2002 dell’Autorità per l’Energia Elettrica e il Gas (AEEG) ha introdotto le condizioni per il riconoscimento della produzione combinata di energia elettrica e calore ai sensi del decreto legislativo n. 79 del 16 marzo 1999 di attuazione della direttiva del Parlamento europeo e del Consiglio n. 92 del 19 dicembre 1996 e del decreto legislativo n. 164 del 23 maggio 2000 di attuazione delle direttiva del Parlamento europeo e del Consiglio n. 30 del 22 giugno 1998.
Il decreto legislativo n. 20 del 8 febbraio 2007, di recepimento della direttiva del Parlamento europeo e del Consiglio n. 8 del 11 febbraio 2004, definisce i requisiti per il riconoscimento della cogenerazione ad alto rendimento. Maggiori dettagli in merito alla “Cogenerazione ad alto rendimento” ed al quadro normativo/legislativo di riferimento sono contenuti nel rapporto allegato a partire da pag.11.
È importante sottolineare che fino al 31/12/2010 è considerata cogenerazione ad alto rendimento se sono soddisfatti i requisiti previsti dalla delibera n. 42 del 19 marzo 2002 dell’AEEG, mentre a partire dal 1 gennaio 2011 un impianto di cogenerazione sarà considerato ad alto rendimento se consentirà un risparmio in energia primaria (PES – Primary Energy Saving):
> 0 per gli impianti di potenza elettrica inferiore a 1 MW (piccola cogenereazione)
> 10% per gli impianti di taglia superiore.
La delibera 42/02 e s.m.i. stabilisce che un impianto è cogenerativo quanto una sua sezione produce in modo combinato energia elettrica (o meccanica) e termica, con riferimento all’anno solare e partendo da una qualunque combinazione di fonti primarie, soddisfacendo le seguenti due condizioni sull’efficienza complessiva di utilizzo delle fonti primarie e di recupero dell’energia termica rispetto a quella utile totale:
1) IRE ≥ IREmin
dove
IRE indica l'indice di risparmio di energia, cioè il rapporto tra il risparmio di energia primaria conseguito dalla sezione di cogenerazione rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e termica e l’energia primaria richiesta dalla produzione separata (per il significati degli altri parametri della formula si rimanda alla delibera AEEG n. 42 del 19 marzo 2002);
e con valori di IREmin:
- 0,05 (5%) per le sezioni esistenti
- 0,08 (8%) per i rifacimenti di sezioni
- 0,10 (10%) per le sezioni di nuova realizzazione
2) LT ≥ LTmin LT = Et / (Ee + Et)
dove
LT indica il limite termico, cioè il rapporto tra l’energia termica utile Et e l’effetto utile complessivamente generato su base annua dalla sezione di produzione combinata di energia e calore, pari alla somma dell’energia elettrica netta e dell’energia termica utile prodotte (Ee + Et)
e con valori di LTmin = 0,150 (15%)
La qualifica di impianto di cogenerazione dà origine ai seguenti benefici:
- priorità di dispacciamento;
- rilascio della garanzia di origine (GO);
- possibilità di accesso al meccanismo dei titoli di efficienza energetica (TEE) o certificati bianchi;
- per le imprese che importano o producono più di 100 MWh/anno, esenzione dall’obbligo di immissione in rete, per l’elettricità prodotta con la cogenerazione, della percentuale di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili (riferimento: meccanismo dei Certificati Verdi);
- riduzione del carico fiscale sul consumo di gas naturale.
|
