Analisi energetica e studio di fattibilità di un impianto di microcogenerazione a gas metano con motore a combustione interna

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 CAPITOLO 1 
LA COGENERAZIONE 
La cogenerazione è la produzione simultanea di due diverse forme di 
energia, elettrica e termica, partendo da una singola fonte di energia 
primaria effettuata con un solo sistema integrato. Indicati con l’acronimo 
CHP (Combined Heat and Power), i sistemi di cogenerazione sono 
costituiti essenzialmente da un motore primario, un generatore di corrente, 
un sistema per il recupero del calore ed interconnessioni elettriche 
concentrati in un solo sistema integrato. 
Il principio su cui si basa è quello di recuperare il calore generato 
durante la fase di produzione di energia elettrica, che solitamente viene 
perso, ed utilizzarlo per produrre energia termica. 
 
1.1 – GENERAZIONE SEPARATA E GENERAZIONE 
COMBINATA 
Considerando l’approccio tradizionale di generazione separata, l’energia 
elettrica viene prodotta in modo centralizzato in poche, grandi centrali 
termoelettriche remote sparse sul territorio per poi essere distribuita lungo 
le linee ad alta/media/bassa tensione ai singoli utenti, rendendo tuttavia 
disponibile solo il 40% circa dell’energia primaria utilizzata, a causa delle 
perdite in centrale (50%) e di quelle di trasmissione (10%). L’energia 
termica viene invece prodotta con la combustione di gas naturale nelle 
classiche centrali termiche con caldaie adibite ad usi civili e residenziali, 
con un rendimento dell’80%. 
Al contrario, attraverso la generazione combinata (co-generazione) si 
vuole perseguire una migliore e più efficiente utilizzazione di energia 
primaria in quanto, a parità di energia elettrica e termica prodotte, è
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possibile ottenere un risparmio del 30-40% di energia primaria con un 
rendimento globale vicino al 90%, inoltre le relative perdite totali possono 
arrivare ad essere solo un terzo di quelle generate con la produzione 
separata. 
 
A 
 
 
Quindi la cogenerazione può e deve essere considerata una soluzione 
impiantistica finalizzata ad aumentare l'efficienza dei processi di 
produzione energetica. 
 
 
 
 
 
 
I grandi vantaggi derivanti dall'utilizzo della cogenerazione sono 
rappresentati pertanto da: 
- Risparmio di energia primaria (gas naturale, olio combustibile) pari circa 
al 20-30%; 
PRODUZIONE SEPARATA 
30-60 % energia elettrica 
70-40% calore di scarto 
PRODUZIONE COMBINATA 
30-40% energia elettrica 
50-40% calore recuperato 
20% perdite 
Fig. 1 - Confronto tra generazione separata e generazione combinata
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- Maggiore efficienza nella conversione energetica, con rendimento globale 
(elettrico e termico) del processo intorno al 90%; 
- Riduzione delle emissioni climalteranti, in particolare dei gas serra come 
l'anidride carbonica, connesse al risparmi di energia primaria 
- Sostituzione di  modalità di fornitura di calore più inquinanti (caldaie 
tradizionali) 
- Periodi di payback (ritorno investimento) interessanti, anche grazie alla 
normativa che prevede la defiscalizzazione del gas usato in input 
- Possibilità di favorire il decentramento della produzione energetica, 
eliminando le inevitabili perdite dovute al trasporto su lunghe distanze nel 
sistema elettrico nazionale 
- Consentire una strategica copertura dei fabbisogni elettrici, garantendo 
agli utenti una maggiore affidabilità dell’alimentazione e la protezione 
dagli eventuali black-out e/o anomalie della rete 
- Rappresenta un valido veicolo per promuovere ed incentivare la 
liberalizzazione del mercato energetico. 
 
1.2 – COGENERAZIONE CENTRALIZZATA E DISTRIBUITA 
Nel recente passato si è assistito ad una costante ed elevata crescita della 
richiesta di energia con relativo incremento del suo costo, a cui è 
corrisposto uno sviluppo del sistema elettrico secondo un modello basato 
sulla concentrazione della generazione in centrali termoelettriche di 
potenza installata sempre crescente, associata all’aumento delle tensioni di 
trasmissione e all’infittimento delle reti di trasmissione e di distribuzione 
nel territorio; questo trend tecnologico ha permesso di sfruttare i vantaggi 
derivanti dall’“economia di scala”, riducendo il costo di produzione 
dell’energia elettrica. I risultati di questo approccio di generazione 
centralizzata sono tutt’oggi evidenti nella presenza sul territorio nazionale 
di enormi centrali elettriche con potenze installate di diverse centinaia di
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MW collegate, attraverso la rete elettrica nazionale, con ogni singola utenza 
civile, industriale o residenziale.  
Tali impianti di cogenerazione sono costituiti da grandi apparati 
industriali, con potenti turbine che, oltre ad energia elettrica, producono 
calore il quale, sotto forma di vapore acqueo, viene trasportato a grande 
distanza dalle reti di teleriscaldamento urbano, per essere utilizzato dagli 
utenti collegati alla rete in sostituzione della caldaia di riscaldamento, 
evitando così di produrre in loco i fumi di scarico. La grande quantità di 
energia elettrica prodotta dall’impianto di cogenerazione viene immessa 
direttamente nella rete di distribuzione elettrica.  
L’applicazione del teleriscaldamento risulta molto sensata dove le 
centrali di produzione sono ubicate vicino ad importanti utenze termiche, 
contribuendo in modo significativo a diminuire la bolletta energetica 
italiana.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 2 - Generazione centralizzata 
 
Ecco quindi che, attraverso la costruzione di un’opportuna rete di 
teleriscaldamento, è possibile trasportare a distanza il calore non utilizzato, 
Centrale di cogenerazione 
Utenze 
industriali 
Utenze civili 
(settore terziario) 
Utenze 
residenziali 
Rete di trasmissione nazionale  
+  
rete di teleriscaldamento
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per servire utenze civili e residenziali, realizzando impianti CHP/DH 
(Combined Heat and Power for District Heating) qualora vi sia un 
fabbisogno di acqua calda nel campo di temperature 80÷150 °C. In 
quest’ultimo caso tuttavia sono inevitabili le perdite nel trasporto di calore, 
tanto maggiori quanto più distante è l’utenza che deve essere servita, inoltre 
ci sono le alte spese di costruzione e manutenzione di tali reti. 
Il risparmio teorico del 35-40% rispetto ai sistemi tradizionali va quindi 
mediato, al di là degli ottimi risultati conseguiti, con le inevitabili spese di 
costruzione e manutenzione della rete e con le perdite nel trasporto di 
calore. 
Per queste centrali l’energia elettrica e termica prodotta possono essere 
utilizzate anche per soddisfare i fabbisogni interni di elettricità (la quota 
non utilizzata viene ceduta alla rete nazionale) e calore, la cui quota residua 
viene immessa alla rete di teleriscaldamento, sfruttando in tal modo questo 
contenuto termico residuo (prodotto secondario del processo di generazione 
elettrica ) che altrimenti andrebbe completamente perso e scaricato in 
atmosfera, visto che solo una bassa percentuale verrebbe utilizzata 
all’interno della centrale come sorgente di calore per il condizionamento 
(riscaldamento/raffrescamento) di ambienti o per processi produttivi 
(impianti CHP/IND, Combined Heat and Power for Industry). 
Pertanto, attraverso la cogenerazione centralizzata tradizionale, solo la 
grande industria e i grandi consumatori possono produrre 
contemporaneamente energia elettrica e termica in modo autonomo ed 
economico, sono quindi favorite le aziende energivore che, per esigenze 
produttive, assorbono gran parte della loro potenza installata.  
La spiegazione è da ricercare nel vincolo tecnologico legato ai 
cogeneratori tradizionali che, per garantire la frequenza di 50 o 60 Hz 
dell’energia elettrica generata, devono funzionare a velocità costante, pari
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alla velocità di rotazione del motore corrispondente alla frequenza 
dell'energia elettrica della rete nazionale. 
Per tale motivo, vengono progettati per offrire il massimo rendimento 
elettrico al 100% della loro potenza nominale. Quando l'utente servito 
riduce la propria richiesta di energia, il cogeneratore deve ridurre la potenza 
mantenendo costante la velocità di rotazione. Il peggioramento del 
rendimento del motore primo è tanto maggiore quanto più il carico viene 
parzializzato, scostandosi dal valore nominale. Al di sotto del 70% della 
potenza nominale, il cogeneratore tradizionale diventa antieconomico 
rispetto all'acquisto di energia dalla rete di distribuzione e pertanto viene 
spento, in tal modo l'investimento diventa improduttivo. Per la maggior 
parte dei potenziali utenti, che hanno dei minimi di consumo molto bassi 
molte volte al giorno, il cogeneratore tradizionale è economicamente 
svantaggioso.  
L’elettrificazione così realizzata ha contribuito più di ogni altra 
infrastruttura al progresso civile ed industriale e, direttamente o 
indirettamente, all’elevazione delle condizioni di vita e della durata media 
della vita dell’uomo. L’attenzione delle popolazioni nei paesi 
industrializzati è tuttavia oggi rivolta alle inevitabili conseguenze negative 
del progresso industriale, in modo particolare al disturbo arrecato 
all’ambiente dagli elettrodotti e dai grandi impianti di generazione. 
Alle istanze di recupero e conservazione dei valori ambientali si 
aggiunge la crescente incertezza sulla futura disponibilità di combustibili 
fossili a prezzi sostenibili. Nei prossimi decenni l’accesso dei paesi in via 
di sviluppo a consumi energetici più elevati accorcerà i tempi 
d’esaurimento dei giacimenti di petrolio e gas, rendendo 
l’approvvigionamento energetico sempre più difficile e costoso. 
Tuttavia, una significativa riduzione del fabbisogno di combustibili 
fossili potrebbe essere conseguita già da oggi se si riuscisse a realizzare una
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cospicua utilizzazione delle fonti di energia rinnovabili (ed assimilate) e se 
si facesse pesantemente ricorso alla generazione distribuita. 
Come noto, le fonti rinnovabili suscettibili d’applicazioni importanti o 
significative sono l'idroelettrica, l'eolica, la solare (fotovoltaica, termica e 
termodinamica), le biomasse, i rifiuti solidi urbani e la geotermica. La 
cogenerazione è assimilata alle fonti rinnovabili perché consente, a parità 
d’energia utile, un notevole risparmio di combustibili fossili e la 
conseguente riduzione delle emissioni inquinanti. 
Per generazione distribuita integrata nel sistema elettrico s’intende la 
generazione di energia elettrica tramite una moltitudine di piccoli 
generatori di varia tecnologia connessi alle reti di distribuzione pubblica di 
bassa tensione (BT, potenze unitarie dal kW fino ad alcune decine di kW) e 
di media tensione (MT, dal centinaio di kW a qualche MW). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La diffusione della generazione distribuita richiede il superamento di 
varie barriere di carattere tecnico, economico, burocratico, normativo, 
organizzativo, contrattuale, gestionale e, non ultimo, psicologico. Questo 
scenario di sviluppo, oltre ai benefici ecologici, avrebbe un'importante 
La rete diventa una “piazza 
di mercato” dove tutti 
possono vendere e 
acquistare energia elettrica 
Smart grid  
Microcogeneratori locali e decentrati 
Fonti energetiche rinnovabili locali 
Centrale di cogenerazione 
Fig. 3 - Generazione distribuita
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ricaduta socio-economica: le risorse finanziarie risparmiate 
nell'importazione di combustibili e/o d’energia elettrica, sarebbero 
destinate alle maggiori spese di costruzione ed esercizio degli impianti di 
generazione distribuita e quindi all'espansione dell'industria e 
dell'occupazione nel settore. 
Nell’ultimo decennio si è verificata quindi un’inversione di tendenza, in 
quanto lo sviluppo tecnologico in campo energetico si sta orientando verso 
unità produttive sempre più piccole; le prospettive prevedono un 
ridimensionamento della generazione centralizzata a favore di quella 
distribuita, realizzata per mezzo di grandi numeri di piccole e piccolissime 
centrali particolarmente adatte a soddisfare i bisogni energetici locali di 
strutture civili e residenziali. Lo scenario futuro della generazione 
distribuita prevede quindi la trasformazione della rete elettrica in una sorta 
di “piazza di mercato”, dove ogni operatore, compreso il singolo cittadino 
privato, potrà, oltre ad acquistare e consumare energia, diventare auto-
produttore e vendere energia elettrica alla rete nazionale, ad un suo vicino 
oppure ad un altro utente. 
I vantaggi attesi da questo trend tecnologico consistono nella possibilità 
di sfruttare risorse energetiche locali, nell’applicazione delle fonti 
rinnovabili, nelle ridotte necessità di trasporto dovute alla vicinanza tra 
produzione e consumo, nella maggiore diversificazione del mix energetico 
e minor dipendenza dalle importazioni, quindi in generale in una maggiore 
sicurezza nell’approvvigionamento elettrico del paese. 
Infine, la generazione distribuita crea nuova occupazione qualificata e 
diffusa sul territorio, che trova impiego nella progettazione, installazione, 
gestione e manutenzione degli impianti.
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1.3 – PICCOLA E MICROGENERAZIONE DISTRIBUITA 
La cogenerazione di energia elettrica e di calore è adatta e conveniente 
non soltanto per i grandi impianti di teleriscaldamento.  
Con il termine “piccola cogenerazione” si indicano le unità di 
cogenerazione con capacità di generazione installata inferiore a 1 MWe, 
mentre la “micro-cogenerazione” (micro-CHP) riguarda la cogenerazione 
per impianti di potenza inferiore ai 50 kWe. 
Sviluppando la cosiddetta microcogenerazione diffusa, i vantaggi 
energetici della cogenerazione potrebbero essere moltiplicati in modo 
apprezzabile, così da dare a tutti gli utenti la potenziale opportunità di 
rendersi autonomi dal punto di vista energetico, ottenendo i grandi vantaggi 
insiti nella cogenerazione sia dal punto di vista economico che ambientale. 
La differenza tra il teleriscaldamento e la microcogenerazione diffusa a 
livello locale, consiste nel diverso modo di utilizzo dell’energia prodotta 
dai due sistemi: mentre nel teleriscaldamento l’energia elettrica viene 
immessa direttamente nella rete e quella termica viene trasportata nelle reti 
di distribuzione presso le utenze cittadine, nella microcogenerazione 
diffusa, invece, il calore viene prodotto ed utilizzato direttamente presso 
l’utenza che ha installato la centrale di cogenerazione, che in genere auto-
consuma anche tutta l’energia elettrica autoprodotta. 
Utilizzando in modo distribuito le macchine di microcogenerazione, 
inoltre, si eliminano le perdite legate alla distribuzione di elettricità sulle 
linee ad alta tensione ed il calore normalmente prodotto dalla combustione 
non viene disperso nell'ambiente, ma è recuperato e utilizzato per 
soddisfare le esigenze termiche dell'utente servito dalla macchina. 
Pertanto, si sfrutta al massimo l'energia sprigionata dal combustibile, con 
una riduzione di consumo e quindi del suo costo, a parità di energia 
elettrica e termica usate, dal 30% al 50% in funzione del profilo dell'utente.
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Tali sistemi decentralizzati di produzione energetica hanno la peculiarità 
di essere molto semplici da installare e di avere grande flessibilità. Di solito 
sono consegnati "chiavi in mano" e sono necessari solo gli allacciamenti 
alla rete idrica, elettrica e ad un serbatoio di combustibile. 
Negli ultimi tempi nuove tecnologie e nuove macchine di piccola taglia, 
già ampiamente testate e collaudate, permettono di realizzare una micro 
cogenerazione diffusa nel territorio, per rispondere alle esigenze di 
elettricità e di calore di utenze civili, residenziali ed industriali.
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1.4 – MACCHINE E TECNOLOGIE 
Il campo di impiego degli impianti cogenerativi è estremamente ampio, 
spaziando da qualche decina di kW fino alle centinaia di MW, quindi la 
scelta del motore primo da adottare nell’applicazione cogenerativa non è 
mai univoca, ma occorre sia presa dopo aver esaminato ogni singola 
applicazione in base a parametri di giudizio che se in una prima fase sono 
di natura prettamente tecnica ed economica, successivamente coinvolgono 
anche esigenze di carattere ambientale, urbanistico e sociale. Pertanto, la 
soluzione ottimale finale spesso risente di valutazioni il cui peso è 
fortemente soggettivo. 
Per la realizzazione di processi di cogenerazione sono utilizzabili le 
tipologie impiantistiche di seguito riportate. 
 
- Motori endotermici alternativi a combustione interna 
I motori alternativi a combustione interna rappresentano la tecnologia 
più matura e consolidata (essendo applicati già alla fine dell’800), sono 
caratterizzati da buoni rendimenti, elevata affidabilità e flessibilità di 
utilizzo a fronte tuttavia di rumore, vibrazioni e di alti costi di 
manutenzione e di contenimento degli inquinanti, essendo necessario un 
catalizzatore per abbattere le emissioni specifiche. 
La fase di produzione di elettricità è legata alla produzione di energia 
meccanica e l’energia termica può essere ricavata direttamente dal circuito 
di raffreddamento del 
motore e dai gas di 
scarico. Il recupero 
termico, ottenuto 
quindi attraverso il 
raffreddamento dei 
fumi allo scarico (500-
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600 °C), del circuito di raffreddamento del motore stesso e del generatore 
(90-120 °C) e dell’olio motore (40-60 °C), rappresenta una quota 
importante per le piccole taglie anche se, per coprire i carichi di temici di 
punta, si ricorre a caldaie ausiliarie, utilizzate per brevi periodi. 
Un’interessante prospettiva è collegata alla recente introduzione sul 
mercato di motori di piccola taglia (con potenza minore di 50 kWe) con 
sistema ad inverter che permette il funzionamento a velocità di rotazione 
variabile con un rendimento elettrico pressoché indipendente dalle 
condizioni di carico. 
Il combustibile più utilizzato in chiave cogenerativa è il gas naturale, 
scelta più ovvia sia per la sua qualità in termini di ridotte emissioni 
climalteranti che per la presenza capillare della rete di distribuzione. 
 
- Motori esotermici alternativi a combustione esterna 
Stirling 
Il ciclo di funzionamento dei motori Stirling è di tipo chiuso e i fluidi 
operativi possono essere diversi (elio, azoto, aria). Il principale vantaggio 
rispetto ai motori a combustione interna tradizionali è la possibilità di 
utilizzare non solo combustibili diversi (che vengono bruciati in caldaia 
esterna e quindi non in contatto con le parti della macchina), ma anche gas 
di recupero purché ad alta temperatura (300 °C); il funzionamento è inoltre 
fluido, regolare, esente da vibrazioni e poco rumoroso, la vita utile può 
arrivare a 60000 ore. 
Il recupero termico avviene soprattutto dal circuito di raffreddamento 
dello scambiatore freddo ed un’ulteriore quota dal raffreddamento dei gas 
combusti.
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- Turbine a gas 
La produzione di energia elettrica deriva dalla fase di espansione in 
turbina dei gas combusti, dove il lavoro 
meccanico viene trasformato in energia 
elettrica dal generatore coassiale alla 
turbina, mentre il recupero di calore 
interessa i gas di scarico rilasciati dal 
sistema che raggiungono temperature di 
500-600 °C. 
I cogeneratori con turbina a gas richiedono per il loro funzionamento, 
oltre alla turbina, un compressore in cui l’aria comburente aumenta 
pressione e temperatura, una camera di combustione in cui l’aria compressa 
viene miscelata al combustibile ed in cui avviene la combustione, un 
generatore che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica attraverso 
l’espansione dei gas di combustione ed infine una caldaia alimentata con i 
gas di scarico che produce vapore. 
 
- Turbine a vapore 
Per generare energia elettrica, la turbina a vapore viene alimentata con 
vapore ad alto contenuto energetico, con elevati valori di pressione e 
temperatura. L’energia termica per l’utenza può essere estratta dal sistema, 
in funzione delle specifiche esigenze,  sia mediante spillamenti di vapore 
dalla turbina sia dal vapore esausto che viene scaricato al termine del ciclo 
di lavoro, attraverso uno scambiatore di calore. In relazione alle condizioni 
di vapore uscente dalla turbina, quindi, si possono avere due sistemi 
diversi: 
- Turbina a vapore in contropressione: la turbina scarica vapore a 
pressione atmosferica o superiore, lo scambiatore di calore per il recupero
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termico raffredda il vapore senza portarlo allo stato liquido e quindi il 
vapore raffreddato viene nuovamente alimentato in caldaia previo 
passaggio di compressione 
- Turbina a vapore a condensazione: il vapore che esce dalla turbina 
ha pressione inferiore a 
quella atmosferica, 
parte del vapore viene 
raffreddato in un’unità 
di condensazione che 
invia poi il condensato 
alla caldaia 
- Ciclo combinato 
Una centrale a ciclo combinato alimentata a gas naturale coniuga in 
modo ideale i punti di forza di due processi termici corrispondenti a due 
cicli termodinamici: il ciclo Brayton e il ciclo Rankine, il primo dei quali 
converte l'energia termica posseduta dai gas derivanti dalla combustione 
del gas naturale in energia meccanica (e quindi elettrica) attraverso una 
turbina a gas, mentre nel secondo l'energia termica residua dei gas di 
combustione viene ceduta all'acqua per la produzione di vapore e convertita 
in energia meccanica e quindi elettrica con una turbina a vapore. 
Circa due terzi dell’intera energia elettrica vengono prodotti dalla turbina 
a gas, la restante quota è generata dalla turbina a vapore, che sfrutta i fumi 
caldi provenienti dalla turbina a gas. 
La cogenerazione, definita come la produzione congiunta di energia 
elettrica e vapore, si realizza, pertanto, quando viene sfruttata anche 
l'energia residua posseduta dal vapore in uscita dal ciclo Rankine della 
turbina a vapore, dopo averlo utilizzato come mezzo per la produzione di 
energia elettrica.
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Questi impianti permettono di ottimizzare lo sfruttamento dell'energia 
contenuta nel combustibile in ingresso. Un impianto a ciclo combinato 
cogenerativo consente quindi non solo di produrre energia elettrica a 
elevato rendimento, ma anche di esportare calore utile per i processi 
tecnologici di uno stabilimento industriale e/o il riscaldamento di una città, 
conseguendo così le massime efficienze oggi raggiungibili. 
 
Esistono infine alcune tecnologie già disponibili ma ancora poco diffuse, 
essendo ancora in via di perfezionamento: 
 
- Microturbine a gas 
L’adozione di una microturbina a gas tradizionale per la cogenerazione 
risulta in genere economicamente conveniente per potenze superiori a 
qualche MW perché al di sotto di questa soglia i rendimenti sono 
fortemente penalizzati a causa del ciclo termodinamico scadente e il costo 
del kWh prodotto diventa troppo alto. 
L’applicazione delle turbine a gas per 
basse potenze elettriche (per ottenere 
rendimenti accettabili) ha comportato 
differenze costruttive rispetto alle 
grandi unità di generazione elettrica, come ad esempio il moto del fluido 
che è  radiale monostadio invece che assiale multistadio, con compressore 
centrifugo calettato sullo stesso albero della turbina centripeta, entrambi in 
grado di raggiungere elevatissime velocità di rotazione (anche oltre 100000 
giri/min). Il rendimento elettrico si attesta su valori del 30% e, a parità di 
rapporto di compressione, è tanto maggiore quanto più alta è la temperatura 
dei gas in ingresso in turbina. Un altro aspetto importante concerne la 
velocità di rotazione: grazie ad un sistema di conversione della frequenza il