Cogenerazione: che cosa è e quando conviene

Da anni sentiamo parlare di effetto serra, del buco dell'ozono che si allarga, di come tutti ne siamo responsabili e di quello che ciascuno di noi, nel proprio piccolo, può fare per ridurre l'impatto di tante nostre azioni sull'ambiente. Anche governi e istituzioni si stanno impegnando a dare il loro contributo, infatti in diverse parti del mondo sono state e vengono effettuate ricerche che hanno l'obiettivo di favorire sia lo sviluppo di fonti energetiche alternative e rinnovabili, sia il miglior sfruttamento di quelle risorse già individuate, in modo da ridurre l'impatto che la produzione di energia ha sull'ambiente. Tutti abbiamo sentito parlare, più o meno approfonditamente, di fotovoltaico e di eolico ad esempio, ma non tanti di noi hanno sentito parlare o sanno esattamente che negli ultimi anni si sta sviluppando e sta acquisendo importanza un altro modo di produrre energia in modo più rispettoso per l'ambiente, mi riferisco alla cogenerazione o CHP, acronimo di Combined Heating and Power. Si tratta, attualmente, di una delle tecnologie più efficienti per un uso razionale dell'energia, poiché permette di produrre contemporaneamente, quindi nello stesso impianto, energia elettrica e calore sfruttando in maniera ottimale l'energia primaria contenuta nel combustibile sia esso gas naturale o carbone, o un prodotto di biomassa: cippato, biogas, biodiesel… 

(Diagramma di funzionamento della cogenerazione)

Questa duplice produzione è possibile perché la configurazione più comune di un cogeneratore prevede l'integrazione tra un motore, collegato a un generatore elettrico, e un sistema di recupero del calore. In altri termini, un cogeneratore può essere visto come un gruppo elettrogeno che, invece di produrre soltanto energia elettrica, recupera anche il calore generato, innalzando così il rendimento complessivo. Il principio, infatti, su cui si basa questo sistema è quello di recuperare il calore generato durante la produzione di energia elettrica, altrimenti disperso nell'ambiente, e riutilizzarlo per produrre energia termica, per gli ambienti e per il riscaldamento dell'acqua.

Questo principio, negli ultimi anni, ha fatto molto progressi e ci sono stati numerosi miglioramenti dal punto di vista tecnologico, tali da favorire l'incremento di efficienza questi impianti: oggi i sistemi più evoluti  di cogenerazione - basati su motori a combustione interna, come turbine e celle a combustibile - sono in grado di trasformare l'energia del combustibile in una produzione energetica finale (elettricità e calore) con rendimenti complessivi molto elevati, anche prossimi al 90%.

Questo significa che, quasi tutta l'energia termica non si disperde nell'ambiente come avviene coi tradizionali impianti ma viene recuperata e riutilizzata. Di preciso, cosa vuol dire?

E' più semplice se facciamo un confronto. Tutti sappiamo che tradizionalmente per produrre la sola energia elettrica si utilizzano centrali termoelettriche che disperdono parte dell'energia primaria nell'ambiente, perché si tratta di energia termica di scarso valore termodinamico dato che è a bassa temperatura, mentre per produrre la sola energia termica si usano delle caldaie che convertono l'energia primaria contenuta nei combustibili, di elevato valore termodinamico, in energia termica di ridotto valore termodinamico.

Al contrario con la cogenerazione, se una stessa utenza richiede sia energia elettrica che energia termica, anziché installare una caldaia ed acquistare energia elettrica dalla rete, si può pensare di realizzare un <<ciclo termodinamico per produrre energia elettrica sfruttando i livelli termici più alti, cedendo il calore residuo a più bassa temperatura per soddisfare le esigenze termiche>>. In questo modo la cogenerazione, concentrando nel suo processo sia la produzione di energia elettrica che termica, può permettere un risparmio energetico che però non è scontato, perché ci sono delle condizioni la cui presenza è assolutamente necessaria, condizioni che ci permettono di valutare quando è davvero vantaggiosa e soprattutto rispetto a quale fonte alternativa.   

 (Confronto di efficienza energetica tra cogenerazione e tradizionali sistemi di produzione dell'energia)

La condizione fondamentale che rende la cogenerazione una soluzione interessante è che l'utenza deve aver bisogno contemporaneamente di energia elettrica e termica in volumi significativi. Questo risulta ovvio se teniamo conto che l'obiettivo fondamentale che si vuole perseguire con la cogenerazione è quello di sfruttare al meglio l'energia contenuta nel combustibile.

VANTAGGI

Ad ogni modo i vantaggi sono numerosi. La cogenerazione consentendo di sfruttare al meglio l'energia contenuta nel combustibile e permettendo la produzione combinata di energia elettrica e termica, se efficace, comporta i seguenti effetti positivi: 

• un risparmio economico ovvia conseguenza del minor consumo di combustibile e dovuto anche alla presenza di incentivi concessi a chi investe in cogenerazione, alla produzione di energia a costi più convenienti e inoltre si tratta di una forma di investimento che richiede un breve periodo di ammortamento; 
• una riduzione dell'impatto ambientale, dovuto sia alla riduzione delle emissioni di  CO2 grazie al minor consumo di combustibile fossile, sia al minor rilascio di calore residuo nell'ambiente (quindi minor inquinamento atmosferico e termico), minore dipendenza dalle fonti di energia fossili; 
• minori perdite di trasmissione e distribuzione dell'energia per il sistema elettrico nazionale, dovute alla localizzazione degli impianti in prossimità dei bacini di utenza o all'autoconsumo dell'energia prodotta; 
• la sostituzione di modalità di fornitura del calore meno efficienti e più inquinanti come ad esempio le caldaie, caratterizzate da più bassi livelli di efficienza, da un elevato impatto ambientale e da una scarsa flessibilità relativamente all'utilizzo di combustibili. Questo permette il recupero dell'energia termica inutilizzata, minor consumo di combustibile, maggiore efficienza energetica;
• e non dimentichiamo i benefici sociali: da un lato perché per risparmiare energia occorre tecnologia e la realizzazione della tecnologia comporta in genere incremento occupazionale, dall'altro la riduzione del costo dell'energia può favorire e stimolare la concorrenza tra le imprese, e non ultima per importanza la riduzione dei costi dei mezzi di trasporto.

Questi vantaggi si possono considerare oggettivi, misurabili e assolutamente quantificabili, soprattutto nel caso in cui l'impianto viene impiegato per riscaldamento e produzione di energia per interi edifici o piccoli comuni. La cogenerazione è particolarmente indicata, infatti, nei casi in cui alla normale richiesta di riscaldamento invernale si affianca una grossa richiesta di acqua calda anche nella stagione estiva.

Pertanto, gli impianti di cogenerazione sono sicuramente indicati per:

• la climatizzazione di: ospedali, cliniche, case di riposo, alberghi, centri fitness, piscine, centri commerciali, condomini, uffici e magazzini;
• l'utilizzo del calore per processi industriali in: concerie, industrie alimentari, industrie farmaceutiche, serre, etc.;
• utilizzo biogas da fonti rinnovabili per: discariche, depuratori di acque reflue, biomasse di provenienza agricola non alimentare.

TIPOLOGIE DI IMPIANTI
Nella sua forma più semplice un impianto di produzione combinata comprende almeno un motore primo (turbina a vapore o a gas, oppure motore a combustione interna), e un generatore elettrico.  

 (Esempio di impianto di cogenerazione)

Nel caso, ad esempio, di una turbina a vapore, un combustibile primario, bruciando in una caldaia, cede energia termica all'acqua, trasformandola in vapore. Una parte di tale energia è trasferita dal vapore al motore primo che, trascinando l'alternatore, la trasforma in energia elettrica. Un'altra parte è invece utilizzata direttamente come energia termica, e può essere destinata, come già visto, a vari impieghi civili o industriali. Infine, la parte rimanente, nella forma di calore residuo non più utilizzabile, è dispersa nell'ambiente. 

Cerchiamo di spiegare meglio il funzionamento di un cogeneratore: ci sono diversi modi di prelevare l'energia termica utile dal fluido di processo.   

 (Struttura e meccanismo di impianto con turbina a gas)

Ad esempio nel caso di impianti con turbine a gas o con motori a combustione interna, si impiega solitamente uno scambiatore che recupera il calore dai fumi esausti prima di scaricarli nell'atmosfera.

Invece nel caso di impianti con turbine a vapore, le soluzioni più diffuse per il prelievo di calore dipendono dal tipo di turbina. Se è: 

• a contropressione: subito dopo l'espansione in turbina il vapore è inviato all'utilizzatore termico, al quale cede parte dell'energia (entalpia) che ancora possiede. Il funzionamento può essere in ciclo chiuso, con ritorno alla caldaia del vapore condensato dall'utilizzatore, o in ciclo aperto.
• a condensazione con spillamento: il calore è prelevato estraendo una certa quantità di vapore (spillamento) in un punto opportuno del ciclo termodinamico per inviarla all'utenza termica. La portata rimanente, dopo l'espansione in turbina, è condensata e il calore di condensazione è di norma dissipato.

Sono diffuse anche soluzioni miste, in cui si ha prelievo di calore sia durante il ciclo (mediante uno spillamento di vapore), sia a valle dell'espansione in turbina.

TIPOLOGIE DI APPLICAZIONE

La cogenerazione può avere diverse applicazioni a seconda delle dimensioni dell'impianto e della sua configurazione, in questo modo è in grado di rispondere alle esigenze di tutte le tipologie di utilizzatori di energia. Si parla quindi di cogenerazione:

• industriale
• mini o impacchettata
• micro
• teleriscaldamento (district heating)

Detta così significa forse poco per molti, cerchiamo di dare qualche dettaglio in più.

La cogenerazione industriale utilizza in genere la più grande tipologia di impianti esistenti. Variando in scala da pochi MWe (megawatt elettrico) alle dimensioni di una centrale elettrica convenzionale. In questi impianti il calore in eccesso può essere utilizzato anche per soddisfare le esigenze di riscaldamento della comunità locale circostante e allo stesso modo, l'elettricità prodotta in eccedenza rispetto alle esigenze del sito può essere immessa nella rete locale.

La cogenerazione con potenza elettrica inferiore ad 1 MW è definita mini-cogenerazione ed è, invece, progettata per soddisfare il fabbisogno termico degli edifici indipendenti di grandi e medie dimensioni come un complesso di uffici, ospedale o un blocco di appartamenti, sui siti più piccoli come un centro ricreativo, un supermercato, un albergo. Se si verificasse il caso, queste unità possono anche immettere energia nella rete elettrica e possono contribuire con il calore in eccesso ad una rete di teleriscaldamento.

La micro-cogenerazione, invece, è una forma specifica di cogenerazione progettata per le singole famiglie. Il prefisso micro si riferisce alla potenza elettrica dell'impianto, che non supera i 200-300 kW.

Infine il teleriscaldamento, un sistema molto diffuso nel nord-est dell'Europa negli anni '70, si tratta di una forma di riscaldamento che consiste essenzialmente nella distribuzione, attraverso una rete di tubazioni isolate e interrate, di acqua calda, acqua surriscaldata o vapore alle abitazioni con successivo ritorno dei suddetti alla stessa centrale. In questo modo si fornisce calore ed elettricità a più clienti nei centri urbani, villaggi e zone industriali. Il riscaldamento proviene da una grossa centrale di cogenerazione termoelettrica a gas naturale, a combustibili fossili, a biomasse, oppure utilizzando il calore proveniente dalla termovalorizzazione dei rifiuti solidi urbani. Si tratta di un sistema vantaggioso solo se ci troviamo in presenza di aree densamente abitate.  

(Area densamente abitata)

In Italia la prima città a dotarsi di una rete di teleriscaldamento è stata Brescia, seguita poi da Torino negli anni '80.

IMPATTO AMBIENTALE DEGLI IMPIANTI DI COGENERAZIONE 

Come per tutti gli impianti di produzione energia da fonti tradizionali anche gli impianti di cogenerazione sono fonti di emissioni inquinanti l'atmosfera che derivano dalla combustione di combustibili fossili. Però le moderne tecnologie utilizzate per il contenimento e l'abbattimento di tali emissioni, in particolare modo se si utilizza metano quale combustibile, consentono di ridurle a valori estremamente bassi in valore assoluto e a valori di circa il 50% inferiori rispetto alla produzione separata di energia termica ed elettrica a parità di energia fornita all'utenza. Inoltre il risparmio di energia primaria (combustibile) che si ottiene con la generazione combinata consente di ridurre l'immissione di CO2 nell'atmosfera di oltre il 40% a parità di energia fornita alle utenze. Altro elemento da considerare per l'impatto ambientale è il rumore derivante dal funzionamento dell'impianto. Ma anche per questo problema sono state individuate le opportune soluzioni, come ad esempio la copertura delle macchine per gli impianti più piccoli o speciali trattamenti del rumore sui flussi di aria e o gas esausti. Invece per impianti di taglia sino a 1.5 MW con singola macchina gli impianti di cogenerazione con motore alternativo si prestano alla realizzazione di sistemi containerizzati in grado di racchiudere con costi relativamente bassi e con ridotti ingombri le emissioni sonore derivanti dall'impianto. 

QUANDO CONVIENE

Dalla descrizione fatta poco sopra, è abbastanza evidente che prima di decidere di effettuare un investimento per avere un proprio impianto di cogenerazione, bisogna valutare, con molta attenzione, la presenza della condizione fondamentale per avere convenienza economica, ovvero la necessità di produrre contemporaneamente e in discrete quantità, elettricità e calore e infine da non dimenticare la verifica della fattibilità tecnica dell'impianto stesso. Tutto ciò significa dover considerare una serie di variabili, spesso  molto complesse. Per questo motivo è indispensabile affidarsi a ditte e professionisti specializzati, in grado di orientarsi (e orientarci) nel mare di questioni tecniche, normative e tariffarie. Sebbene l'Unione Europea ha individuato nella cogenerazione ad alto rendimento, è evidente che non va considerata la "panacea" universale per risolvere il problema della produzione di energia con un minor impatto ambientale. Sicuramente è utile quando sono presenti le caratteristiche evidenziate in precedenza, ma rimane fondamentale rivolgersi ad aziende di comprovata esperienza e serietà. C'è un'ultima precisazione che riguarda il nostro paese, in Italia le potenzialità per il suo sviluppo e la sua corretta applicazione ci sono, ma le barriere normative, burocratiche e le diverse lobby del settore ne impediscono il corretto sfruttamento. Speriamo che la situazione possa presto cambiare.