Analisi tecnico-economica di un impianto di trigenerazione abbinato ad un impianto fotovoltaico

Capitolo I - Introduzione agli impianti di trigenerazione 
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Capitolo I 
 
INTRODUZIONE AGLI IMPIANTI DI TRIGENERAZIONE 
 
 
 
1.1 Generalità 
 
Il continuo aumento della richiesta di energia sta portando ad una rivoluzione sul 
piano energetico nazionale ed internazionale. Oltre allo sviluppo delle tecnologie 
che mirano a sfruttare le fonti rinnovabili, si cercano di migliorare quelle già 
esistenti. 
In natura non è possibile trasformare completamente energia primaria del 
combustibile in energia meccanica, infatti il secondo principio della 
termodinamica dice che una qualunque macchina quando converte energia termica 
in lavoro meccanico non lo fa mai al 100%, ma c‟è sempre un‟aliquota di calore 
che viene restituita all‟ambiente. Pertanto nelle tecnologie impiegabili per la 
realizzazione di cicli termodinamici, la frazione di calore che deve 
necessariamente essere riceduta dal ciclo è quasi sempre maggiore della frazione 
convertita in elettricità o lavoro, cosicché l'energia termica non utilizzata risulta 
sovente superiore all'energia elettrica o meccanica utile. 
Essendo l'energia termica una forma di energia ampiamente richiesta, ne deriva la 
possibilità di impiegare lo “scarto” di un ciclo di potenza come calore utile per il 
riscaldamento, raffreddamento o per svariati processi industriali. 
In tal caso, il sistema che produce tanto elettricità (o potenza meccanica) quanto 
calore utili prende il nome di sistema di cogenerazione. 
Per cogenerazione, denominata anche Chp (Combined heat and power), si intende 
la produzione contemporanea di energia elettrica e calore, considerati entrambi 
effetti utili, partendo da una sorgente di energia primaria mediante un unico 
sistema.
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In altre parole la cogenerazione consiste nell‟impiego utile del calore scaricato da 
un ciclo di potenza, che risulterebbe altrimenti inutilizzato. 
La riduzione di tale refluo termico consente la sostanziale diminuzione, a parità di 
servizio reso all‟utenza, dei consumi di energia primaria. L‟entità del risparmio 
varia a seconda delle tecnologie impiegate e delle condizioni di utilizzo 
dell‟energia elettrica e del calore prodotti. In via approssimativa tale risparmio 
può essere stimato attorno al 35-40%. Vengono chiariti i concetti appena esposti 
con un esempio. Se si utilizzano 100 unità di combustibile in un impianto di 
cogenerazione, si ottengono circa 20 unità di energia elettrica e 64 unità di energia 
termica; per ottenere la stessa quantità di energia prodotta utilizzando impianti 
convenzionali, che generano separatamente tali energie, sarebbero necessarie circa 
80 unità di combustibile per la produzione di calore e 50 per la produzione di 
elettricità, per un totale di 130 unità di combustibile. Il sistema cogenerativo, in 
questo caso, consente quindi di risparmiare il 30% del combustibile (fig. 1.1). 
 
Fig. 1.1 Confronto tra produzione combinata e produzione separata 
 
La trigenerazione, detta anche Chcp (Combined heating, cooling and power 
generation), rappresenta un particolare sviluppo dei sistemi di cogenerazione in 
cui si recupera l‟energia termica, solitamente prodotta in inverno per il
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riscaldamento degli ambienti, per la produzione di energia frigorifera nei 
periodi estivi (fig. 1.2). 
 
 
Fig.1.2 Schema produzione energia combinata 
 
 
Questo è possibile grazie ad un ciclo frigorifero ad assorbimento, che recupera 
il calore generato dal cogeneratore e lo converte in “fresco”. Tutto questo 
attraverso l‟utilizzo di energia meccanica spesa per azionare la pompa di 
circolazione del fluido refrigerante, cioè l‟acqua, che, insieme alla sostanza 
utilizzata come assorbente (per esempio l‟ammoniaca), permette di raggiungere le 
stesse temperature di funzionamento dei tradizionali impianti di condizionamento. 
Dunque grazie ai sistemi di trigenerazione è possibile produrre in una sola volta, 
partendo da una fonte di energia primaria, energia elettrica, termica e 
frigorifera, anche se in ambito domestico si distingue un ciclo invernale, che 
vede la produzione soprattutto di energia elettrica e calore, ed un ciclo estivo che 
produce energia elettrica e energia frigorifera. Tutto viene comunque fatto 
utilizzando lo stesso impianto.
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Oggi vi sono sul mercato numerosi modelli di impianti di trigenerazione, ma la 
differenza sta nel tipo di energia primaria utilizzata per alimentare il sistema. 
Possiamo in particolare distinguere impianti alimentati a combustibili fossili 
(soprattutto motori diesel) e impianti a gas o biogas, senza dimenticare infine gli 
impianti che sfruttano energia prodotta da fonti rinnovabili ( oli vegetali, pellet, 
biomasse, ecc..), anche se questa soluzione è al momento economicamente 
impegnativa e necessita comunque di impianti di Integrazione tradizionali. 
In sostanza i vantaggi legati a questa tecnologia sono rappresentati dall‟utilizzo 
del calore prodotto dal cogeneratore durante il periodo estivo, da parte della 
macchina ad assorbimento che produce così energia frigorifera. 
 
 
1.2 Sistemi di trigenerazione 
 
Gli elementi fondamentali di un sistema di trigenerazione, che ritroviamo in tutte 
le soluzioni impiantistiche, sono sostanzialmente due: 
 
1. Il motore primo che attua la conversione dell‟energia termica introdotta in energia 
meccanica, accoppiato a un generatore elettrico che trasforma l‟energia meccanica in 
energia elettrica; 
 
2. Una macchina frigorifera che attua la conversione dell‟energia termica prodotta in energia 
frigorifera. 
 
A questi va aggiunta una serie di impianti ausiliari che ne consente il corretto 
funzionamento (sistemi di dissipazione, strumentazione di regolazione e controllo 
dell‟impianto, sistemi di antinquinamento e di insonorizzazione, ecc.).
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1.3 Motori primi in trigenerazione 
 
I motori primi utilizzati per la trigenerazione possono essere suddivisi in due 
classi. 
 
 A un grado di libertà. Per i motori primi a un grado di libertà, la definizione della 
potenza elettrica fissa necessariamente anche la potenza termica (o viceversa). Tra questi 
si annoverano i motori alternativi, le turbine a gas, le turbine a vapore a contropressione e 
i cicli combinati con turbina a vapore a contropressione. 
 
 A due gradi di libertà. Per i motori primi a due gradi di libertà il rapporto 
elettricità/calore generato può variare entro un campo molto ampio. In questo caso, 
potenza elettrica e termica generate possono essere fissate, entro certi limiti, 
indipendentemente l‟una dall‟altra. Tra questi ricordiamo le turbine a vapore a 
condensazione e spillamento, i cicli combinati con turbina a vapore a spillamento e le 
turbine a gas a iniezione di vapore. Ciascuna tipologia di impianto è caratterizzata da un 
suo specifico campo di applicazione, all‟interno del quale si realizzano i massimi 
rendimenti termodinamici e/o la massima convenienza economica. 
 
Le principali caratteristiche tecniche sono riportate in tabella 1.1:
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Turbina  
a vapore  
Motore 
diesel  
Motore a  
gas naturale  
Turbina a 
gas  
Microturbina 
Efficienza 
energetica (%)  
15-38  35-50  25-35  15-35  18-27  
Efficienza 
globale (%)  
80  70-80  80-85  70-85  65-75  
Efficienza       
elettrica  75  70-80  70-80  50-70  50-70  
effettiva (%)       
Taglie tipiche 
(MWe)  
2-80  0,05-50  0,05-10  1-500  0,03-0,35  
En. elettrica/ 
en. termica  
0,1-0,3  0,5-1,0  0,07-1,0  0,5-1,0  0,4-0,7  
Funzionament      
o carico  Possibile  Buono  Possibile  Scarso  Possibile  
parziale       
Costo di 
installazione 
(dollari/kW)  
300-900  9001.500  900-1.500  8001.800  1.3002.500  
Costo di 
gestione 
(dollari/kW)  
< 0,004  0,0050,015  0,007-0,02  0,0030,0096  0,01  
Tempo di 
avviamento  
1 ora-1 
giorno  
10 secondi  10 secondi  10 min. -1 ora  1 minuto  
Combustibili 
utilizzabili  
Tutti  
Diesel, oli 
esausti  
Gas naturale, 
biogas, 
propano, gas 
di discarica  
Gas naturale, 
biogas, 
propano, olio 
combustibi le  
Gas naturale, 
biogas, 
propano, olio 
combustibile  
Utilizzi 
dell’energia 
termica  
Vapore a 
bassa o alta 
pressione  
Acqua 
calda, 
vapore a 
bassa 
pressione  
Acqua calda, 
vapore a 
bassa 
pressione  
Acqua calda 
o surriscalda 
ta, vapore a 
bassa o alta 
pressione  
Acqua calda o 
surriscaldata, 
vapore bassa 
pressione  
 
Tab. 1.1 – Caratteristiche tecniche delle tipologie
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Vantaggi  Svantaggi  
Taglie 
disponibili  
Turbina a vapore  
elevata efficienza globale, 
può utilizzare qualsiasi 
combustibile alta 
affidabilità e tempi lunghi 
di esercizio  
avviamento lento basso 
rapporto en. elettrica/en. 
termica  
Da 50 kW a 
250 MW  
Motori alternativi  
a ignizione diretta  
elevata efficienza associata 
a flessibilità di 
parzializzazione del carico 
costi di investimento 
relativamente ridotti tempi 
di avviamento molto brevi 
possono essere revisionati 
in loco dai normali 
operatori  
emissioni relativamente 
alte cogenerazione 
limitata ad applicazioni a 
bassa temperatura 
necessità di smaltire il 
calore quando questo non 
è recuperato elevati costi 
di manutenzione alti 
livelli di rumorosità alle 
basse temperature  
Alte velocità 
(1.200 rpm) < 
4 MW  
Motori alternativi 
ad accensione per 
compressore diesel  
Basse velocità 
(6075 rpm) < 
0,5 MW  
Microturbina  
numero ridotto di parti in 
movimento dimensioni 
compatte e basso peso 
ridotte emissioni  
costi elevati efficienza 
meccanica bassa 
cogenerazione limitata ad 
applicazioni a bassa 
temperatura  
da 30 kW a 
350 kW  
Turbina a gas  
alta affidabilità basse 
emissioni calore 
disponibile ad alta 
temperatura  
richiesta di gas ad alta 
pressione basse efficienze 
a basso carico  
Da 500 kW a 
400 kW  
 
Tab. 1.2 – Vantaggi e svantaggi delle diverse tipologie d‟impianto
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Fra queste macchine, i motori alternativi e le turbine a gas costituiscono la 
tecnologia a oggi dominante nel campo delle piccole potenze grazie alla loro 
flessibilità, affidabilità, modularità e grazie ai buoni rendimenti elettrici. 
 
 
1.4 Recupero termico nei motori alternativi a combustione interna 
 
I motori a combustione interna per le loro caratteristiche costruttive, possono 
utilizzare una vasta gamma di combustibili sia liquidi (gasoli, benzine) sia gassosi 
(gas naturale, gpl, biogas ecc). 
Le applicazioni dei motori per impianti di co-trigeneraziane sono ampiamente 
diffuse e le tecnologie molto affidabili permettono di raggiungere ottimi livelli di 
efficienza elettrica e termica. 
 
 
1.4.1 Principio di funzionamento 
 
Lo schema impiantistico (fig. 1.3) prevede il collegamento diretto del motore ad 
un generatore che converte l‟energia meccanica trasmessa producendo l‟energia 
elettrica da inviare all‟impianto dedicato. 
 
 
 
Fig. 1.3 Schema collegamento, motore generatore, utenza termica