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un‟ulteriore quota di energia elettrica (ciclo combinato), oppure per produrre freddo (ciclo
frigorifero ad assorbimento). Lo sviluppo di un impianto di cogenerazione non è
un‟operazione semplice. Bisogna prima di tutto valutare la fattibilità tecnica ed economica
della realizzazione dell‟impianto, individuando le soluzioni impiantistiche ottimali riferite ad
ogni singola struttura, perché non sempre si tratta di una soluzione conveniente. In generale,
non ci sono dubbi sui vantaggi, in termini di rendimento energetico, che la cogenerazione ha
rispetto alla produzione separata di energia elettrica e termica. Tuttavia, proprio perché questi
vantaggi sono originati da una produzione combinata, è necessario che l‟energia termica
disponibile possa essere utilizzata nel ciclo produttivo del sistema in cui essa si colloca. Ciò
comporta la localizzazione degli impianti di cogenerazione in prossimità delle aree produttive
senza la penalizzazione delle perdite di trasporto dell‟energia elettrica in rete, ponendo dei
limiti alle dimensioni delle macchine utilizzate, in quanto l‟energia termica non può essere
trasportata a grandi distanze in modo economico. Da questo si può dedurre chiaramente che è
fondamentale una valutazione specifica e ad hoc per ogni sistema: occorre conoscere le
necessità ed il fabbisogno di calore, nonché il livello di temperatura richiesto dal sistema di
produzione. Inoltre, bisogna considerare anche il trasporto dal luogo di produzione e le
perdite di calore presenti. Queste sono tutte informazioni necessarie ed importanti da
esaminare accuratamente.
In conclusione, possiamo affermare che la cogenerazione è un‟opportunità da valutare bene
perché offre, sicuramente, un importante contributo alla problematica dell‟efficienza
energetica.
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Figura 1 Integrazione delle tecnologie per la cogenerazione con le tecnologie elettriche e non elettriche per la produzione del caldo e
del freddo.
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Capitolo 1
Soluzione al risparmio energetico: la cogenerazione
1.1 La crisi energetica
L‟energia è una grandezza fisica che esprime e quantifica la capacità intrinseca di un corpo
(energia potenziale, energia cinetica, ecc.), della materia (energia chimica, energia nucleare,
ecc.), di una trasformazione (energia di pressione, energia dissipata, energia termica, energia
radiante, ecc.), di un sistema di compiere lavoro (energia di espansione, energia elettrica,
energia magnetica, energia meccanica, ecc.). L'energia esiste in natura in varie forme, le tre
maggiori tipologie sono: le fonti rinnovabili (sole, vento, energia idraulica, risorse
geotermiche, maree, moto ondoso, trasformazione dei rifiuti organici in inorganici e dei
prodotti vegetali); fonti assimilate (energia prodotta in cogenerazione, fumi di scarico ed altre
fonti di energia recuperabile in processi ed impianti, scarti di lavorazione e/o processi, fonti
fossili prodotte esclusivamente da giacimenti minori isolati); fonti convenzionali (combustibili
fossili commerciali utilizzati in impianti di sola produzione elettrica, altre fonti non incluse tra
le rinnovabili o le assimilate).
Tali fonti vengono utilizzate e trasformate per gli usi dell'uomo e delle sue attività, con un
costante aumento, così da far accrescere, conseguentemente, i costi economici, sociali ed
ambientali dell'energia.
Siamo in presenza di una crisi energetica permanente, destinata a protrarsi e ad aggravarsi nel
tempo, di cui facciamo fatica a percepire la pericolosità. Siamo abituati a usare l‟energia,
soprattutto il petrolio e il gas, come se fosse qualcosa di perennemente disponibile,
abbondante e a basso costo. Improvvisamente ci troviamo di fronte al venir meno di queste
fonti e pensiamo che gli allarmi siano ingiustificati, frutto della speculazione o di errori di
valutazione per eccesso di prudenza. Attualmente la situazione si è enormemente aggravata a
causa di un insieme di fattori:
1. stiamo raggiungendo, o abbiamo già raggiunto, il “picco di produzione geofisica del
petrolio”, ovvero la massima capacità produttiva che farà crescere il divario tra
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domanda crescente e offerta calante. Dapprima questo avverrà lentamente, ma poi
sempre più rapidamente;
2. l‟intenso uso dei combustibili fossili, carbone compreso, ha provocato una crescita di
concentrazione di gas serra che potrebbe raggiungere un punto di non ritorno tale da
innescare un cambiamento climatico globale con conseguenze imprevedibili e
catastrofiche;
3. la crescita della domanda di energia, soprattutto petrolio e gas, da parte dei paesi
emergenti (Cina e India), le cui economie crescono a tassi a due cifre, sta creando una
situazione di tensione nelle relazioni internazionali tra paesi ricchi, paesi emergenti e
produttori di risorse, situazione che facilmente potrebbe sfociare in conflitti per il
controllo di tali risorse.
L‟intera problematica energetica è pertanto complessa e alquanto controversa; è possibile,
però, delineare un progetto di transizione dall‟attuale situazione insostenibile e pericolosa ad
un sistema energetico più equilibrato e sostenibile, da raggiungersi nel medio e lungo periodo,
con approssimazioni successive.
La crisi legata all‟approvvigionamento energetico ha stimolato l‟intera comunità
internazionale alla definizione di nuovi assetti del settore, che coinvolgono la produzione, gli
usi finali e la gestione della distribuzione.
La Commissione Europea ha presentato nel 2008 un ampio pacchetto di strumenti in campo
energetico inteso a dare nuovo impulso alla sicurezza energetica dell‟Europa. Nello scenario
attuale stanno convergendo tendenze apparentemente contraddittorie: la prima è basata sulla
riduzione dei consumi e dell‟impatto ambientale, la seconda accetta come inevitabile
l‟incremento del fabbisogno energetico in quanto finalizzato al miglioramento della qualità
della vita. La soluzione a questa contraddizione presuppone il ri-orientamento delle scelte di
politica energetica, promuovendo sistemi di produzione sostenibili dal punto di vista
ambientale, l‟ottimizzazione dei sistemi esistenti e un uso razionale delle risorse lungo tutto il
ciclo di vita. Relativamente al mercato, la liberalizzazione della produzione e della vendita di
energia sta creando spazi per formule innovative, meno rigide e costose della grande
distribuzione, ed in grado di offrire maggiore flessibilità ed autonomia nei servizi.
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1.2 Risoluzione al problema energetico
Il problema in esame è complesso, la posta in gioco altissima e nessuno può avere la pretesa
di conoscere esattamente la soluzione; per questo è necessario agire con precauzione, con
scelte quanto più possibile reversibili, che permettano di tornare sui nostri passi, se ci
accorgiamo di avere sbagliato. L‟umanità ha superato da tempo le soglie di sostenibilità e
deve riorientarsi. Oltre alla dimensione strettamente tecnico scientifica, la questione
energetica comporta aspetti di natura prettamente etica, riguardante lo stile di vita individuale
che desideriamo, l‟equità nella distribuzione delle risorse, gli equilibri ecologici, le future
generazioni e l‟attenzione che dobbiamo avere per tutti gli altri esseri viventi. Per far posto
agli altri, dobbiamo ridurre i nostri bisogni e “inventarci” un modo per essere più felici,
scegliendo la strada della “semplicità volontaria”, presente da sempre in tutte le principali
culture come via maestra dell‟autorealizzazione.
Per realizzare un programma che appare tanto ambizioso quanto difficile, è necessario
progettare una transizione che si basi sull‟efficienza energetica in tutte le fasi di produzione,
distribuzione e uso dell‟energia e, più in generale, delle risorse. Si possono individuare tre
tipologie di efficienza: di primo ordine, ovvero il miglioramento del rendimento delle
macchine di produzione e di utilizzo (generatori e turbine, elettrodomestici, lampade a basso
consumo); di secondo ordine, nel selezionare la modalità più corretta per produrre un
determinato servizio, evitando di utilizzare energia pregiata (come l‟elettricità), laddove è
possibile ricorrere a fonti meno pregiate (collettori termici solari, coibentazione, efficienza
degli edifici), oppure ricorrendo alla cogenerazione e alla microcogenerazione (produzione
combinata di energia elettrica e termica), alla trigenerazione (generazione di elettricità-calore-
freddo con l‟integrazione di chiller ad assorbimento) e, più in generale, alla poligenerazione,
tutti processi intrinsecamente più efficienti delle produzioni separate; di terzo ordine,
riprogettando i beni per renderli meno obsoleti, con un minor contenuto energetico a parità di
funzione e con filiere d‟uso più corte.
Il risparmio energetico (energy saving) è l'insieme dei comportamenti, processi ed interventi
che ci permettono di ridurre i consumi di energia necessaria allo svolgimento delle varie
attività, ed è diventato una pratica necessaria, dal momento che la richiesta di energia nel
nostro paese e nel mondo sta aumentando in modo pressoché costante. È noto che un aumento
della produzione energetica comporta inevitabilmente un incremento delle emissioni
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inquinanti, che aggravano una situazione ambientale già adesso molto critica. I black-out
forzati degli ultimi tempi e le targhe alterne nei centri urbani rappresentano due aspetti solo in
apparenza diversi, ma il realtà strettamente connessi. Il risparmio può essere ottenuto sia
modificando le nostre abitudini, di modo che ci siano meno sprechi, sia utilizzando
tecnologie in grado di trasformare l'energia da una forma all'altra in modo più efficiente,
ovvero migliorare l'efficienza energetica. I settori in cui è possibile ottenere un risparmio
energetico attraverso un uso razionale delle risorse energetiche sono:
- Edilizia
- Illuminazione pubblica
- Trasporto
- Industria
- Impianti per la produzione di energia
Per evitare un aumento ulteriore dei consumi, i distributori sono stati obbligati a far
risparmiare i propri utenti tramite interventi tecnologici atti a ridurre il consumo. In cambio
del risparmio conseguito, l‟Autorità per l‟Energia Elettrica e il Gas2 distribuirà dei titoli detti
“di efficienza energetica” (TEE) che potranno essere convertiti in denaro. In tal modo i clienti
finali si ritroveranno un risparmio in bolletta, derivato da un minor consumo, mentre i
distributori, che sarebbero danneggiati da tale politica, riceveranno dei contributi per fare
fronte a tale perdita.
L‟argomento di questo studio verte, difatti, sulla progettazione di un piano tecnico-economico
che ha come obiettivo il risparmio energetico, utilizzando come strumento la cogenerazione
ad alto rendimento.
1.3 La cogenerazione
Tra le varie forme di energia non è sempre possibile fare una distinzione dettagliata o eseguire
una scelta mirata, ma, come capita spesso, il risultato finale di un processo di trasformazione è
dato dalla coesistenza di più forme energetiche, influenzandone più o meno il risultato
prefissato. L‟uomo con la sua abilità può controllare relativamente le conversioni energetiche,
2
Autorità dell‟energia e del Gas AEEG.
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favorendo alcune e cercando di impedirne altre, affinché i risultati ottenibili siano realmente il
più vicino a quelli attesi, ossia il processo di trasformazioni debba avere il rendimento
massimo. Ad esempio, una lampadina classica ad incandescenza con filo di tungsteno
(sistema), attraversato da un flusso di elettroni, converte l‟energia elettrica in energia radiante
(trasformazione) percepita sotto forma di luce, ma contemporaneamente, senza volerlo, si
genera anche energia termica o calore. Quest‟ultima è indesiderata ai fini dell‟illuminamento
ed è solo una forma di spreco dell‟energia elettrica di partenza, quindi la si deve ridurre al
minimo (nel caso ideale eliminarla), oppure cercare di riutilizzarla per altre applicazioni. Da
questo breve esempio emerge, intuitivamente, che non tutte le forme energetiche godono di
pari dignità, poiché ci sono anche quelle indesiderate o meno adatte ai fini prefissati
dall‟attività umana.
A causa della necessità di ridurre i costi e le emissioni di inquinanti nell‟aria, come i gas
serra, gli addetti del settore energetico stanno cercando soluzioni energetiche più efficienti.
Tra queste un‟opzione è rappresentata dalla cogenerazione, nota anche come CHP (Combined
Heat and Power). Essa ha usufruito negli ultimi anni del notevole miglioramento tecnologico,
che le ha consentito di incrementare la propria efficienza: infatti le nuove generazioni di
turbine, di fuell-cells e di motori sono il risultato di una fattiva collaborazione, sul piano della
ricerca e dello sviluppo, tra governi e industrie; inoltre i materiali di ultima generazione e le
tecniche di progettazione al computer, hanno consentito di accrescere l‟efficienza degli
impianti e di ridurre i costi e le emissioni degli agenti inquinanti.
Per il secondo principio della termodinamica, la generazione di potenza “pregiata”
(meccanica o elettrica) per via termica è inevitabilmente associata alla cessione di potenza
termica a temperatura medio/bassa, cessione che, negli impianti destinati alla sola produzione
di energia elettrica, non viene valorizzata in nessun modo: il calore è, infatti, ceduto
all‟ambiente circostante direttamente (rilascio dei prodotti di combustione nell‟atmosfera) e/o
indirettamente (tramite un fluido termovettore, in generale aria o acqua prelevata dalla falda o
da fiumi, laghi e mari). Inoltre, generare direttamente calore a bassa temperatura in una
caldaia è uno degli utilizzi termodinamicamente più impropri (ancorché fra i più diffusi)
dell‟energia chimica dei combustibili.
Il CHP è una generazione sequenziale o simultanea di due diverse forme di energie
(meccanica e termica), che parte da una singola fonte energetica, attuata in un unico sistema
integrato. In tutte le tecnologie impiegabili per la realizzazione di cicli termodinamici, una
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frazione di calore viene necessariamente ceduta all‟ambiente, senza essere stata convertita in
elettricità o lavoro; ciò implica che l‟energia termica non utilizzata risulta generalmente
superiore all‟energia elettrica o meccanica utile. Il principio su cui si basa la cogenerazione è
quello di auto-produrre energia elettrica e recuperare calore dal raffreddamento del motore e
dai fumi di scarico, per fornirlo alle utenze collegate all‟impianto. È quindi evidente che la
cogenerazione comporta una più razionale utilizzazione del combustibile primario, attraverso
un recupero efficiente del contenuto termico presente nei fumi di scarico del motore primo
che, viceversa, andrebbe del tutto disperso nel caso di una produzione elettrica e termica
separata. Tutto ciò va a vantaggio della bolletta energetica e dell‟impatto ambientale.
Inoltre occorre considerare un beneficio meno evidente della produzione in loco di potenza
elettrica, che è un‟altra caratteristica della cogenerazione: la riduzione della perdita della
potenza per dispersione elettrica nella distribuzione e nel trasporto sulla rete nazionale. Nelle
condizioni attuali, infatti, per ogni kWh consumato dall‟utente finale, circa 0,2 kWh vengono
persi prima di arrivare all‟utenze. La produzione di energia termica ha in sé un buon
rendimento, ma non è suscettibile a miglioramenti del rendimento di produzione. In un
impianto tradizionale, se il fabbisogno delle utenze termiche, adimensionalizzando, è pari a
34, dovremmo spendere una potenza chimica del combustibile pari a 42 per ottenerlo; la
perdita netta sarebbe quindi pari a 8, sotto forma di calore disperso dai fumi nell‟ambiente e
dall‟irraggiamento della caldaia. Per ottenere una potenza elettrica pari a 22, dovremmo
utilizzare una potenza chimica di 58 e perdere in atmosfera addirittura una potenza pari a 36.
In questo caso, la potenza introdotta dal combustibile in totale è pari a 100 (Figura 2).
Figura 2 Flussi energetici di impianti tradizionali: totale energia immessa = 100.
Con un impianto di cogenerazione, invece, il calore di scarto, derivante dalla produzione
elettrica, non viene disperso, ma recuperato per alimentare l‟utenza termica. In questo modo
la cogenerazione raggiunge un‟efficienza che supera agevolmente, anche negli impianti di
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piccola taglia, l‟80%. Per ottenere, come nell‟esempio precedente, una potenza termica pari a
34 e una potenza elettrica pari a 22, in un impianto di cogenerazione basta introdurre tramite il
combustibile una potenza molto più bassa, pari a 70, con perdite pari a 14 (Figura 3).
Figura 3 Flussi energetici di impianto di cogenerazione: totale energia immessa = 70.
All‟evidente risparmio sulla bolletta del combustibile, si associa anche un risparmio
sull‟emissione di CO2 ed altri inquinanti: si calcola che per un impianto di cogenerazione di
media taglia, per ogni kWh prodotto ci sia un risparmio pari a 450 grammi di CO2.
1.4 Principio di funzionamento
Numerose sono le definizioni di cogenerazione, detta, per esempio sistema a energia totale
(total Energy). Sussistono due concetti fondamentali: produzione congiunta di energia
elettrica e calore prevalentemente in cascata e risparmio di energia primaria rispetto alla
produzione separata di energia elettrica e calore. Fra le svariate tipologie impiantistiche, si
possono individuare due grandi categorie di processi cogenerativi. Il processo di gran lunga
più diffuso e importante è il topping cycle (Figura 4) che prevede l‟adozione di un ciclo che
riceve energia da un combustibile (o da fonte energetica ad alta temperatura) e ne converte
una frazione in lavoro meccanico e successivamente in energia elettrica. Parte dell‟energia
non trasformata in lavoro viene recuperata come calore utile a temperatura medio/bassa,
mentre la rimanente parte viene ceduta all‟ambiente. La frazione di energia non convertita in
lavoro che può essere recuperata dipende dalla tipologia dell‟impianto e dalla temperatura a
cui il calore è utilizzabile. La gamma degli impianti cogenerativi che si prestano ad
applicazioni topping cycle è vastissima, sia per tipologia (impianti a vapore, impianti con
motori alternativi o con turbine a gas, impianti con cicli combinati gas/vapore), sia per taglia
(dai pochi kWe della micro generazione alle centinaia di MWe dei grandi cicli combinati
gas/vapore adottati in contesti industriali di larga scala). Meno diffuso, ma pure di interesse, è
il bottoming cycle Figura 5), che prevede la generazione di lavoro (o energia
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elettrica) a valle e non a monte dell‟utilizzatore termico. Generalmente si ha a che fare con un
processo industriale che necessita di calore ad alta temperatura (per esempio cementifici,
vetrerie, laterizi e ceramiche, ecc.). Il recupero di una frazione del calore, disponibile a
temperatura medio/alta, si effettua con un ciclo (a vapor d‟acqua, o a fluido organico), che
genera energia elettrica ed eventualmente calore per utilizzatori termici a più bassa
temperatura.
Figura 4 Schema Topping Figura 5 Schema Bottoming
1.5 Parametri caratteristici
Nella letteratura tecnica, vengono adottati i più svariati criteri per identificare la qualità
termodinamica di un impianto di cogenerazione. Il criterio più semplice e più comune, ma
anche il più grossolano, si rifà al primo principio della termodinamica. Il rendimento di un
sistema di produzione, combinata o separata, dell‟energia elettrica e termica può essere
espresso dalla relazione:
���� =
���� + ����
����
dove:
ET è l‟energia termica prodotta;
EE è l‟energia elettrica prodotta;
EB è l‟energia termica bruciata sotto forma di combustibile.
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Nel caso di sistemi tradizionali, ovvero di produzione separata, l‟energia termica viene
prodotta da generatori di calore, mentre quella elettrica viene direttamente prelevata dalla rete
di distribuzione. Mentre per l‟energia termica entra in gioco il rendimento dei generatori, per
quella elettrica va considerato il prodotto tra il rendimento di distribuzione e il rendimento di
produzione. Il primo è particolarmente importante, perché tra centrale elettrica di produzione
e utente finale vi è di mezzo la rete di distribuzione dell‟energia, lunga anche migliaia di
chilometri. Quindi possiamo riscrivere il rendimento come:
������ =
���� + ����
������ + ������
= ���� ∙ ����
���� + ����
���� ∙ ���� + ���� ∙ ����
dove:
ET è l‟energia termica prodotta;
EE è l‟energia elettrica prodotta;
EBT è l‟energia bruciata dotto forma di combustibile per produrre energia termica;
EBT è l‟energia bruciata sotto forma di combustibile per produrre energia elettrica;
ΚT è il rendimento dei generatori;
ΚE è il prodotto del rendimento di produzione e di distribuzione dell‟energia elettrica.
Nel caso di produzione combinata dell‟energia bisogna tener conto dei rendimenti termico ed
elettrico del sistema di cogenerazione, pari rispettivamente a:
���������� =
����������
����������
���������� =
����������
����������
dove il pedice cog individua l‟energia termica, elettrica e quella bruciata sotto forma di
combustibile nel cogeneratore. Il rendimento globale è:
�������� =
���������� + ����������
����������
= ���������� + ����������
Il parametro ETcog rappresenta la quantità di energia termica realmente utilizzata
dall‟impianto, non quella totale prodotta, in quanto va defalcata quella eventualmente
dissipata. Al limite, se tutta l‟energia termica fosse dissipata, il rendimento globale del
sistema cogenerativo sarebbe pari al solo rendimento elettrico ΚE. Analogamente EEcog è
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l‟energia elettrica utile, inferiore a quella totale cogenerata, perché va defalcata l‟energia
elettrica utilizzata dagli ausiliari dell‟impianto. Un altro indice molto usato, che mette in
rilievo la produzione di energia elettrica di un impianto di cogenerazione, è l‟indice elettrico:
���� =
����
����
Che varia fra 0 (per i sistemi che generano solo calore) e 1 (per i sistemi che generano solo
generano solo energia elettrica).
Il rendimento totale del sistema combinato non si limita alla sola parte riguardante il
cogeneratore, ma si deve prendere in esame anche l‟integrazione con i sistemi tradizionali.
Infatti generalmente il cogeneratore da solo non basta a soddisfare l‟intero carico elettrico e
termico, che va, pertanto, integrato con una caldaia.
In Figura 6 è descritto dal digramma di Sankey l‟evoluzione dei flussi energetici di un sistema
di cogenerazione.
Figura 6 Diagramma di Sankey sui flussi energetici della cogenerazione.
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