Ad ognuno la sua cogenerazione

La generazione combinata di energia elettrica ed energia termica a partire da una sola fonte permette di rendere molto più efficiente la produzione di ambo i tipi di energia, ossia di ridurre largamente gli sprechi. Le tecnologie impiantistiche a disposizione sono numerose e ciascuna di esse trova il suo campo di applicazione. Oggi sta prendendo piede, poi, anche la trigenerazione, che ai prodotti della cogenerazione classica ne aggiunge un terzo: energia refrigerante per il condizionamento dell’aria e vari impieghi industriali.

di Virginia Greco

Come già scritto in passato sulle pagine di questo sito, una via percorribile (e particolarmente interessante) per il raggiungimento di una maggiore efficienza nel processo di produzione di energia elettrica è quella che prevede la generazione combinata di energia elettrica e termica a partire da una medesima fonte.

Nella cogenerazione (questo il nome del processo in questione) si converte il combustibile in energia meccanica tramite un motore primario, questa viene poi tradotta in energia elettrica da un generatore e il calore, prodotto di scarto di tali conversioni, si raccoglie e si utilizza per accrescere la temperatura di acqua e vapori che andranno a riscaldare ambienti o alimentare turbine e utenze industriali.

Esistono già (o sono in via di sperimentazione) numerose tipologie impiantistiche differenti, ciascuna delle quali presenta caratteristiche peculiari che la rendono più o meno adatta ai vari tipi di impiego. I parametri basilari che ne determinano l’ambito di applicazione sono la potenza elettrica che essi sono in grado di sviluppare e l’indice elettrico/termico (Ie), ossia il rapporto tra la potenza elettrica e quella termica generate (come dire, in termini semplici: si produce più elettricità o più calore?).

Nel grafico a fianco (tratto dal “Libro bianco sulla cogenerazione”, ATIG, 1997) si può vedere schematicamente quali impianti siano più consoni man mano che si sale di potenza elettrica (da sinistra verso destra sull’asse delle ascisse) e quali invece al crescere di Ie (sulle ordinate), cioè se si richiede una quantità di energia elettrica via via superiore in proporzione a quella termica.

A medio basse potenze si predilige l’impiego di motori a combustione interna. Essi sono convenienti perché richiedono un basso investimento iniziale, hanno un buon indice elettrico/termico e sopportano bene arresti e partenze ripetuti nonché carichi variabili. Di contro, però, presentano elevati costi di manutenzione e richiedono interventi di riparazione più di frequente di quanto non accada per gli altri tipi di impianti. Essi, inoltre, forniscono energia termica a due temperature differenti, in quanto provenienti da due circuiti separati: 400-450°C per i gas di scarico e al di sotto dei 100°C per l’acqua di raffreddamento e l’olio di lubrificazione. Ciò significa che bisogna prevedere impieghi distinti per i due “scarti di calore”, altrimenti il riutilizzo di uno solo renderebbe meno efficiente la cogenerazione.

I motori a diesel (nel grafico suddetto indicati come “motori con recupero totale”) hanno in generale un rendimento elettrico maggiore di quelli a gas, ma presentano problematiche legate all’ambiente e alla gestione del gasolio, per cui sono usati di rado, solo quando non si ha disponibilità di gas naturale.

Una tipologia impiantistica largamente utilizzata è quella delle turbine a gas. All’interno di esse va fatta una distinzione: quelle impiegate per potenze elettriche inferiori ad 1 MW (MegaWatt), dette microturbine, e quelle di taglia invece medio-grande, per potenze superiori ai 10MW.

Le microturbine sono entrate in competizione, negli ultimi anni, con in motori endotermici (=a combustione interna), in quanto emettono meno gas serra nell’ambiente e richiedono meno manutenzione. Di contro, però, i rendimenti elettrici non sono straordinari e i costi sono ancora troppo elevati.

Nell’ambito delle medio-grandi potenze, invece, la tecnologia delle turbine a gas è affermata e ampiamente utilizzata. L’energia termica prodotta ha un’unica temperatura (450°C), quindi è più facilmente utilizzabile (soprattutto in alcuni processi industriali); tali impianti, però, mal tollerano il funzionamento intermittente (al contrario, come già detto, dei motori a combustione interna).

Per le taglie medio grandi si hanno a disposizione anche le turbine a vapore. Per potenze superiori ai 10MW, però, esse hanno subito fortemente la concorrenza delle turbine a gas, che forniscono un indice Ie maggiore e investimenti iniziali inferiori. Il generatore di vapore e il suo circuito, infatti, fanno sì che l’impianto sia molto più complesso di quello necessario per le turbine a gas. Ad ogni modo, restano l’unica soluzione praticabile nel caso in cui si vogliano utilizzare combustibili diversi da gas naturale e gasolio, come ad esempio combustibili solidi di varia natura.

Quando sia possibile scegliere, poi, si preferisce far ricorso alle turbine a contropressione piuttosto che a quelle a condensazione, in quanto sono più adattabili e versatili, sebbene presentino un rendimento elettrico inferiore.

I cicli combinati uniscono una o più turbine a gas ed una turbina a vapore e vengono impiegati per potenze elevate, superiori a 20MW: ciò perché gli impianti sono molto complessi e costosi nonché mal tollerano un funzionamento discontinuo. Il rendimento elettrico/termico è però elevato, pertanto esso ripaga della spesa iniziale affrontata.

Sono invece ancora in corso di sperimentazione (tramite prototipi) le celle a combustibile. Anche di queste si hanno diverse tipologie (a seconda del composto utilizzato) e possono essere impiegate in ambiti differenti a seconda della temperatura richiesta per l’energia termica (si va dai 70-100°C fino agli 800-1000°C). Esse appaiono una soluzione molto interessante in quanto sono assai affidabili e richiedono oneri di manutenzione piuttosto limitati. Offrono inoltre un rendimento elettrico notevole, nonché non producono rumore o vibrazioni di alcun tipo.

Al momento però i costi di produzione sono ancora elevati e ci sono alcuni problemi tecnici, legati alla resistenza alla corrosione e agli stress termici, che sono in corso di studio e sperimentazione.

L’ultima frontiera della cogenerazione è poi la cosiddetta “trigenerazione”, la quale si propone di allargare il campo di impiego della generazione combinata e ridurre ulteriormente gli sprechi. Essa aggiunge alle funzionalità della cogenerazione (produzione di energia elettrica e sfruttamento dell’energia termica di scarto per scaldare liquidi e produrre vapori), una terza possibilità: utilizzare il calore di recupero per produrre energia frigorifera, ossia acqua refrigerata per il condizionamento dell’aria o per processi industriali.

La tecnologia alla base non è altro che quella ben nota utilizzata nei normali frigoriferi: si sfruttano le trasformazioni di stato di un fluido (in genere acqua), detto “refrigerante”, in combinazione con una sostanza, definita “assorbente” (in genere bromuro di litio).

A differenza dei condizionatori tradizionali non si fa ricorso ad un compressore del refrigerante, ciò fa sì che la richiesta di energia elettrica per il funzionamento del ciclo sia piuttosto ridotta e che l’impianto sia strutturalmente più semplice. Ovviamente l’efficienza di tale raffreddamento, se confrontata con quella dei processi dedicati (in cui l’energia frigorifera è prodotta da trasformazione diretta di quella elettrica), è minore, ma non bisogna dimenticare che in questo caso si sta recuperando energia che normalmente sarebbe scartata, gettata via.

La soluzione rigenerativa offre quindi, nel complesso, un rendimento estremamente elevato rispetto ai tre processi separati (produzione di energia elettrica, di energia termica per il riscaldamento e di energia frigorifera). Si tratta dunque di una tecnologia che vale la pena di diffondere e sviluppare ulteriormente.

7 Gennaio 2010 - Scrivi un commento