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Come funziona la cogenerazione di energia termica ed elettrica

I sistemi di cogenerazione permettono di sfruttare al meglio le risorse combustibili per un bilancio energetico ottimale. Scopriamo come

Schema che paragona l'efficienza energetica di un impianto di cogenerazione con i metodi tradizionali di produrre energia elettrica e calore.
Schema che paragona l'efficienza energetica di un impianto di cogenerazione con i metodi tradizionali di produrre energia elettrica e calore.
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Con il termine cogenerazione si definisce il processo che prevede che calore ed energia elettrica vengano prodotti nello stesso impianto. Questo sistema può incrementare l’efficienza fino a oltre l’80% con un vantaggio notevole sui costi di approvvigionamento del combustibile fossile e una minore produzione di emissioni inquinanti come gas climalteranti.

La cogenerazione di energia termica ed elettrica

Il principio e l’utilità della cogenerazione si può subito afferrare esaminando le modalità più diffuse di produzione dell’energia elettrica da fonte non rinnovabile. Nella metodologia termoelettrica l’energia elettrica viene prodotta dall’energia meccanica che è prodotta, a sua volta, dall’utilizzo di combustibili di varia natura. Ma, oltre all’energia elettrica, si produce in questi processi anche, come scarto, energia termica in quantità variabile dal 40 al 55% dell’energia primaria utilizzata nell’intero processo. Il fine della cogenerazione è proprio quello di cercare il recupero per l’utilizzo di questa energia termica altrimenti dispersa.
Le principali tipologie di impianti termoelettrici vengono classificati in funzione della macchina termica impiegata:

  • turbina a vapore;
  • turbina a gas;
  • motore endotermico alternativo.

Per ciascuna di queste tipologie si possono realizzare impianti di cogenerazione, ognuno con differenti specifiche caratteristiche.

Turbine a vapore

Gli impianti di cogenerazione con turbine a vapore, in genere, vengono impiegati per grosse strutture di cicli industriali o per reti di teleriscaldamento. Il vapore necessario per il funzionamento della turbina si produce in caldaie dove normalmente viene bruciato olio combustibile derivato dal petrolio. In alternativa si possono utilizzare anche altri combustibili per esempio di natura biologica (cippato di legno, olio di colza ecc.). Fanno parte i questa categoria  alcuni , nei quali come combustibile si utilizzano i rifiuti e dove, oltre all’energia elettrica, viene recuperata energia termica.
In questi cicli l’utilizzo del vapore in turbina viene limitato e viene recuperata energia termica per la produzione di acqua calda o surriscaldata, utilizzabile per il riscaldamento di edifici o cicli produttivi.
Il rendimento di produzione dell’energia elettrica, in questo caso, è penalizzato a vantaggio del rendimento complessivo termico ed elettrico che può raggiungere valori superiori al 90%.

L'impianto di termovalorizzazione Spittelau a Vienna con la caratteristica facciata progettato da F. Hundertwasser.

Il termovalorizzatore Spittelau a Vienna con la caratteristica facciata progettato da F. Hundertwasser.

Turbine a gas
Le turbine a gas sono motori endotermici, nei quali la combustione del gas genera direttamente l’energia meccanica necessaria per la produzione dell’energia elettrica. Lo scarico della turbina a gas consiste in fumi a temperatura tra 400 e 500 °C che possono essere utilizzati per la produzione di vapore a bassa pressione, acqua surriscaldata o acqua calda per utilizzi termici.
La dimensione di questi impianti di cogenerazione è compresa fra 3 e 100 MW elettrici, adatte per le reti di teleriscaldamento, per ospedali o per grossi centri commerciali. Ultimamente si stanno diffondendo anche microturbine a gas, applicabili a impianti di cogenerazione con potenze fino a circa 100 kW elettrici.

Motore endotermico alternativo

Il motore endotermico alternativo non è altro che un motore a combustione interna a pistoni, adatto per un uso continuo che si accoppia direttamente al generatore di energia elettrica. In questo caso, l’energia termica viene recuperata dal raffreddamento delle camice dei pistoni, dal raffreddamento dell’olio e dei fumi di scarico.
Le capacità di questi motori vanno da pochi kW fino a 3 MW elettrici e possono essere impiegati in piccoli e medi edifici residenziali e terziario.

Vantaggi e svantaggi della cogenerazione

La cogenerazione rappresenta, in linea di massima, un’ottima soluzione dell’efficienza energetica e, di conseguenza, anche una considerevole riduzione dell’inquinamento. Vanno, però, in ogni caso considerate alcune limitazioni e si deve valutare con attenzione sia la convenienza sia un corretto dimensionamento. Le capacità dell’impianto di cogenerazione deve garantire un elevato numero di ore di funzionamento, mantenendo costante il rapporto fra l’energia elettrica prodotta e l’energia termica recuperata che deve essere il più vicino possibile a quello previsto.
Quando l’impianto di cogenerazione è a servizio della climatizzazione di edifici, è opportuno non installare un impianto di cogenerazione con una potenza termica per soddisfare la punta di riscaldamento richiesto solo per un breve periodo. Invece dovrebbe optare per un cogeneratore dimensionato per l’utilizzo base della potenza termica necessaria e garantire il fabbisogno termico di punta con caldaie tradizionali.
Un altro aspetto critico per la climatizzazione degli edifici è la riduzione della richiesta termica durante il periodo estivo quando è necessaria la sola produzione dell’acqua calda sanitaria. Per ovviare a questo problema di climatizzazione estiva si possono applicare dei gruppi frigoriferi ad assorbimento che producono acqua refrigerata utilizzando l’acqua calda, surriscaldata o il vapore prodotto dall’impianto di cogenerazione, la cosiddetta “trigenerazione”.

Schema di funzionamento della trigenerazione per la climatizzazione estiva di un impianto di cogenerazione.

Schema di funzionamento della trigenerazione per la climatizzazione estiva di un impianto di cogenerazione.

Un altro aspetto critico della cogenerazione è legato alla vicinanza che deve sussistere fra la centrale di cogenerazione e il luogo di utilizzo dell’energia termica a causa dell’elevato costo delle reti di distribuzione.  Quando gli edifici serviti sono in un centro urbano questo significa un innalzamento dell’inquinamento locale, dovendo bruciare più combustibile di quello necessario per alimentare caldaie di pari potenza termica. Questo è un problema soprattutto per le aree urbane con problemi di inquinamento dell’aria.
In sintesi, la cogenerazione riduce l’inquinamento a livello di una grande area, ma lo aumenta nelle vicinanze del sito della centrale di cogenerazione.
Si deve inoltre considerare che gli impianti di cogenerazione hanno bisogno di una maggiore manutenzione rispetto a caldaie tradizionali. Si deve però tener conto che negli ultimi anni sono stati messi sul mercato piccoli e medi cogeneratori che hanno ridotto di molto i costi di manutenzione e aumentato il livello di affidabilità.

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