Sistemi cogenerazione e trigenerazione domestica

RICHIAMI SULLA COGENERAZIONE

Con il termine Cogenerazione ci si riferisce alla pratica di produrre in maniera combinata energia elettrica e termica, con lo scopo di ottenere un consumo di energia primaria inferiore al consumo che si avrebbe con la produzione separata delle due energie.

Appare evidente che tale produzione combinata di energia ha senso laddove sussiste la necessità di entrambi gli approvvigionamenti energetici, ed in tali contesti la soluzione cogenerativa può rappresentare una valida soluzione per il risparmio energetico ed economico.

La cogenerazione si ottiene utilizzando un impianto motore termico capace di convertire l’energia liberata dalla combustione in energia meccanica (e da questa in energia elettrica), e di generare energia termica come recupero dell’energia “di scarto” del precedente processo.

Un esempio di energia “recuperabile” immediato si può avere riflettendo sull’energia termica dissipata in un motore a combustione interna, in quanto non necessaria ai fini dell’effetto utile del motore, così come una “potenzialità non sfruttata” per il primo processo consiste nella produzione diretta di energia termica in una caldaia a gas, senza produzione di energia elettrica, energia che sarebbe stato possibile generare dal gas mediante un motore termico dal quale sarebbe stata recuperata l’energia termica “di scarto”.

Affinché la cogenerazione risulti conveniente rispetto alla produzione separata delle due forme di energia, è necessario che il consumo di energia mediante cogenerazione sia inferiore rispetto alla somma dei consumi per la produzione separata.

In realtà esistono appositi indici, ma una loro esposizione renderebbe il discorso inutilmente tecnicistico ai fini dell’esposizione di questa soluzione.

RECUPERO DELL’ENERGIA DI SCARTO E SCENARIO DI UTILIZZO

Si può valutare l’entità dell’energia termica recuperabile da un motore a combustione interna dalla seguente immagine:

 

Riferendosi al 100% dell’energia chimica contenuta nel combustibile (e tenendo presente che questi dati sono generali), si può notare che:

1. poco più del 40% dell’energia può venire trasformata in meccanica
2. l’energia termica “di scarto” ammonta pertanto a circa il 58%

La successiva conversione dell’energia meccanica in elettrica ed il recupero dell’energia termica presentano a loro volta dei rendimenti legati alle trasformazioni alle quali devono essere sottoposte, e questo porta a perdite stimate nell’ordine del 10%, con una condizione finale che prevede:

1. Energia Elettrica recuperabile netta: 40%
2. Perdite: 10%
3. Calore: 50%

Andiamo ora ad ipotizzare un caso di funzionamento domestico, senza ancora entrare nelle implementazioni delle varie aziende di dispositivi per la produzione cogenerativa.

Consideriamo un appartamento con una potenza elettrica impegnata di 4kW ed una richiesta di potenza termica pari a 5kW, ricordando che ovviamente un ragionamento basato sulle potenze può essere fuorviante in quanto sarebbe opportuno parlare di energia, ma in prima analisi può essere, seppur semplicistico, utile a comprendere i benefici che si potrebbero ottenere.

Riferendoci ai valori esposti per i motori a combustione interna e fatta 100 l’energia chimica introdotta con il combustibile, secondo le percentuali di conversione indicate si avrebbero 40 unità di energia elettrica e 50 di energia termica sotto forma di calore recuperato.

Riferendoci pertanto a 10kW di “potenza del combustibile” (il virgolettato vuole indicare la evidente imprecisione al riferimento in termini di potenza del combustibile, ma per quanto detto nella premessa precedente, utile ai fini del ragionamento) si otterrebbe il perfetto soddisfacimento della domanda energetica.

Confrontiamo ora con i consumi separati:

1. 4kW assorbiti dalla rete, prodotti con un rendimento medio del 50% (valore abbastanza elevato rispetto a quello medio della rete)
2. 5kW prodotti mediante una caldaia a gas domestica con rendimento del 90% (sorvolando sul discorso “condensazione“, affrontato in due precedenti post 1 e 2)

Riferendosi alla fonte energetica primaria e svolgendo i calcoli si ottiene:

1. necessità di 8kW per la produzione elettrica
2. necessità di 5.56kW per la produzione termica

Complessivamente servono 13.56kW riferiti all’energia primaria per la produzione separata, a fronte di 10 kW per la produzione cogenerativa.

 

Tenendo presente che in tale trattazione ci sono diverse imprecisioni sia in termini “quantitativi” (ad esempio sulle potenze termiche ed elettriche necessarie per un appartamento) che “qualitativi” (per la necessità di riferirsi all’energia e non alla potenza, pur tenendo in considerazione l’importanza di questa, soprattutto in termini di potenza massima per l’impianto) e ricordando che il suo scopo era quello di rendere evidente la convenienza della cogenerazione nei contesti nei quali essa risulta possibile

 

MICROCOGENERAZIONE E TRIGENERAZIONE

La cogenerazione attraverso l’impiego di turbine a gas e motori a combustione interna può trovare applicazione in moltissimi scenari nei quali la richiesta elettrica e termica presentano livelli non elevati se comparati al settore industriale, come ad esempio strutture alberghiere, centri sportivi, edifici adibiti ad uffici nei quali il consumo elettrico non raggiunge livelli elevati mentre la richiesta di energia termica diviene soprattutto quella per usi termico-sanitari.

Nel caso in cui l’impianto cogenerativo permetta di seguire la reale richiesta di energia (soprattutto elettrica) dell’utenza si ha un funzionamento che poco interferisce con la rete elettrica nazionale, mentre nel caso in cui sia necessario integrare o cedere energia dalla rete diventa necessario, in caso di forte diffusione della generazione distribuita, l’adozione di una rete di trasporto di tipo “intelligente” (Smart Grid), ovvero in grado di operare non più con pochi punti di produzione bensì con molti di questi, e tale questione risulta molto dibattuta per via dei problemi da superare per la sua gestione efficiente ed affidabile.

E’ altresì possibile ipotizzare uno scenario di utilizzo ristretto a singoli complessi abitativi, dove provvedere alla sostituzione della caldaia per il riscaldamento centralizzato con una unità cogenerativa di piccola potenza (quasi esclusivamente un motore a combustione interna, come la soluzione rappresentata nella seguente immagine a titolo di esempio) che produce la potenza elettrica per le varie utenze ed il calore per il riscaldamento:

 

A titolo di esempio si può ipotizzare un palazzo con 40 appartamenti ed una potenza elettrica unitaria pari alla fornitura standard residenziale dell’ENEL di 3kW.

La potenza elettrica richiesta all’unità cogenerativa saranno pertanto 40·3kW = 120kW elettrici.

Tale potenza elettrica rappresenta circa il 40% della potenza totale del combustibile, della quale circa il 10% viene perduto a causa di irreversibilità meccaniche (attriti) ed il restante 50% sotto forma di calore, pertanto si ha a disposizione un potenziale di circa 150kW termici che è possibile recuperare (ovviamente con il dovuto rendimento) per gli usi termico-sanitari del palazzo.

A causa della stagionalità della richiesta termica per questo tipo di utenza, è evidente come tale soluzione possa diventare antieconomica durante i mesi nei quali non si opera il recupero termico.

Un modo per ovviare a tale problema consiste nell’impiego di sistemi frigoriferi ad assorbimento che, utilizzando il calore prodotto dall’impianto, possono operare la climatizzazione delle utenze, pertanto si parla di Trigenerazione, ovvero di produzione combinata di Energia Elettrica, Termica e “Frigorifera”, secondo il seguente schema:

 

Ovviamente in un contesto residenziale ci si scontra con problemi di gestione “condominiale” tali da rendere molto difficile l’impiego di tali soluzioni, ma nell’ambito di strutture adibite ad uffici (si pensi ad esempio alle banche) tale soluzione risulta più gestibile e fattibile.

COGENERAZIONE: IL FUTURO

E’ abbastanza realistico ipotizzare uno sviluppo della cogenerazione soprattutto per quanto riguarda impianti di ridotta potenza, mentre per quanto riguarda le tecnologie che verranno adottate si può ritenere che le celle a combustibile, parallelamente alla loro introduzione per la produzione elettrica, riceveranno un notevole impulso anche per la produzione di energia termica, mentre le tecnologie ormai consolidate proseguiranno nella strada del miglioramento tecnologico.

 

 

07/03/2011

Fonte: http://www.reteingegneri.it