Elettricità e calore fatti in casa: la micro-cogenerazione

La cogenerazione è la produzione combinata di elettricità e calore: nella cogenerazione queste due forme di energia vengono prodotte in cascata, con un unico sistema.
In un impianto convenzionale per la produzione di energia elettrica, il calore di scarto del ciclo viene disperso nell’ambiente ottenendo così rendimenti del 40-50%. Con un impianto di cogenerazione, invece, il calore di scarto non viene disperso, ma recuperato per essere poi utilizzato in vario modo. In questo modo la cogenerazione raggiunge un’efficienza superiore anche all’85%.

Producendo contemporaneamente sia energia elettrica che termica tramite un unico impianto che abbia un rendimento elettrico del 29% e termico del 44% (rendimenti facilmente ottenibili tramite packages di cogenerazione a microturbina), si riesce a ridurre l’energia primaria fornita all’impianto, ottenendo non solo un consistente risparmio economico, ma anche ecologico-ambientale: si consuma circa il 20% di combustibile in meno con la conseguente riduzione delle emissioni inquinanti. Finora la produzione cogenerativa è stata una prerogativa delle macchine di taglia medio-grande su impianti di elevata potenza, ed in particolare di turbine a gas, a vapore e più raramente grandi motori alternativi. In una centrale di cogenerazione il calore di scarico delle macchine ha livelli termici elevati e di conseguenza può essere utilizzato in diversi modi ma le perdite di calore, l’energia necessaria per il pompaggio dell’acqua o del vapore nelle reti di trasporto pongono dei limiti alla distribuzione del calore su grande scala. Per questi motivi le utenze devono concentrarsi in aree limitrofe all’impianto di produzione nonostante il sistema di trasmissione del calore sia efficiente e ben progettato.

LA MICRO-GENERAZIONE
La micro-cogenerazione (cogenerazione su piccola scala) nasce proprio da considerazioni di questo tipo: ha il vantaggio, rispetto ai tradizionali impianti di cogenerazione, di ottenere una produzione di energia termica ed elettrica presso le utenze. Con la micro-cogenerazione è possibile generare potenze elettriche che vanno dal kilowatt ai pochi megawatt.
Oggi esistono in commercio impianti micro-cogenerativi che sfruttano le tecnologie più avanzate. L’utilizzo delle turbine a gas (MTG) per la generazione su piccola scala è certamente una realtà innovativa. Per le piccole potenze (< 500 kW) la turbina e il ciclo adottati sono stati completamente ripensati rispetto alle tradizionali turbine industriali. Vengono infatti utilizzate macchine radiali e non assiali, il ciclo è rigenerativo e non semplice, il rapporto di compressione è molto più basso (circa 4), si raggiungono alti regimi di rotazione (70.000-120.000 giri al minuto).
L’utilizzo di combustibile pulito, quale il gas naturale, e la natura della combustione permettono alle microturbine di ottenere valori delle emissioni inquinanti molto contenuti. La combustione nelle turbine avviene in modo molto più controllato rispetto ai motori a combustione interna, la progettazione della camera di combustione è ottimizzata per il controllo della formazione degli NOx. Le temperature ridotte inibiscono la formazione degli ossidi di azoto, l’eccesso d’aria invece limita incombusti e CO. Attualmente le MTG non richiedono l’impiego di sistemi di abbattimento dedicati alle fase di scarico, sono comunque allo studio catalizzatori in grado di ridurre ulteriormente le emissioni.
Il mercato delle MTG nonostante inizi ora a muovere i primi passi, vede affacciarsi al suo interno molte società di fama internazionale. Queste macchine hanno ormai raggiunto un buon livello di affidabilità anche durante l’esercizio prolungato. Il costo del package cogenerativo con MTG non è esattamente quantificabile vista la forte variabilità di un mercato giovane come quello delle microturbine. Tuttavia è possibile ipotizzare un costo specifico di circa 1000 € per kW elettrico installato, mentre si prevede che in un mercato consolidato tali costi scendono a circa 600 €/kW elettrico. La maggior parte di queste turbine dimostrano, per quel che riguarda la commercializzazione, un difetto ovvero l’incapacità di funzionamento ad isola (stand alone) e necessitano una connessione in parallelo alla rete elettrica (grid connect). Nelle microturbine a gas la temperatura dell’acqua proveniente dal recupero termico ben si sposa con il range termico di alimentazione richiesto dai frigoriferi ad assorbimento alimentati ad acqua. La possibilità di accoppiare un frigorifero ad assorbimento ad un impianto di micro-cogenerazione mostra le ulteriori potenzialità di questi sistemi; il frigo ad assorbimento è una macchina, senza entrare troppo nel dettaglio, capace di compiere un ciclo frigorifero non sfruttando il lavoro del compressore ma utilizzando il calore fornito da una sorgente calda, quale il calore di scarto di un motore, di una micro-turbina o di un altro generatore di potenza.
Quindi un sistema che comprende una turbina a gas, un generatore elettrico, un sistema di recupero del calore di scarto e un frigorifero ad assorbimento, costituisce un impianto di trigenerazione, in grado di effettuare una produzione combinata di energia elettrica, termica e frigorifera. Un micro-trigeneratore può facilmente soddisfare le esigenze di condizionamento di un condominio o quelle di refrigerazione in attività industriali e artigianali. Se si considera quindi che si possono estendere facilmente i vantaggi già citati per la produzione combinata di calore e elettricità alla produzione del freddo sarà più evidente il risparmio energetico ottenibile dall’adozione di queste tecnologie.
La ricerca e i progressi nel campo tecnologico produttivo, permettono ora di ottenere macchine e impianti cogenerativi con rendimenti superiori al 90%, basso impatto ambientale, bassa rumorosità e grazie all’elettronica grande facilità di gestione e utilizzo. Caratteristiche che permettono l’installazione di questi impianti direttamente nei centri urbani. Grazie alla micro-cogenerazione la logica convenzionale di distribuzione può venire stravolta: non più pochi grandi siti produttivi, giganti centrali elettriche dall’enorme impatto ambientale, ma molti piccoli siti di generazione dislocati nel territorio vicino all’utente finale, interconnessi, di dimensioni ridotte ed ecologicamente compatibili.
I sistemi di micro-co-trigenerazione comportano una lunga serie di vantaggi soprattutto in un sistema energetico come quello italiano, grosso importatore di energia, con un parco centrali carente, una rete di trasmissione non più giovane.

BENEFICI
Si elencano in estrema sintesi i principali benefici:
• risparmio di energia primaria con diminuzione dei costi energetici

• miglioramento dell’impatto ambientale e riduzione delle emissioni (si emettono in atmosfera centinaia di migliaia di tonnellate di anidride carbonica in meno)
• nessuna perdita di distribuzione del calore
• nessuna perdita di distribuzione e trasmissione dell’elettricità (riversata direttamente nelle linee a bassa tensione)
• limitazione delle cadute di tensione sulle linee finali di utenza
• esposizioni finanziarie minori grazie a taglie ridotte ed a tempi di installazione rapidi
• possibilità di penetrazione in zone isolate e difficilmente accessibili.

Articolo di Massimiliano Bertoni e Andrea Cantini

Per approfondimenti:
E.Macchio, S.Campanari, P.Silva, La microcogenerazione a gas naturale, Polipress, 2005

www.cogeneurope.eu
http://impianti.lifegate.it/
www.enea.it

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