SISTEMI DI COGENERAZIONE

Nelle tecnologie impiegabili per la realizzazione di cicli termodinamici, la frazione di calore che deve necessariamente essere riceduta dal ciclo è quasi sempre maggiore della frazione convertita in elettricità o lavoro, cosicché l'energia termica non utilizzata risulta sovente superiore all'energia elettrica o meccanica utile.
Essendo l'energia termica una forma di energia ampiamente richiesta, ne deriva la possibilità di impiegare lo “scarto” di un ciclo di potenza come calore utile per il riscaldamento o per svariati processi industriali.
In tal caso, il sistema che produce tanto elettricità (o potenza meccanica) quanto calore utili prende il nome di sistema di cogenerazione.
La cogenerazione consiste pertanto nell'impiego utile di un qualcosa - il calore scaricato da un ciclo di potenza - che risulterebbe altrimenti inutilizzato.
La riduzione degli "scarti" consente la sostanziale diminuzione - a parità di servizio reso all'utenza - dei consumi di energia primaria.
Tuttavia l'applicazione pratica del concetto apparentemente semplice di cogenerazione può diventare difficoltosa, se non impossibile, a causa di tre circostanze:

• incongruenza tra le caratteristiche del calore reso disponibile dal ciclo di potenza ed il calore richiesto dalle utenze;
• sfavorevole ubicazione del ciclo di potenza rispetto alle utenze di calore;
• sfasamento temporale delle richieste di elettricità e calore.

I motori primi per i quali esiste oggi una consolidata esperienza operativa in impianti di cogenerazione sono quattro:
· motori alternativi a ciclo Otto o Diesel;
· turbine a gas;
· turbine a vapore;
· impianti a ciclo combinato turbina a gas/turbina a vapore.

Turbine a vapore e cicli combinati sono tipologie impiantistiche di potenza elevata utilizzate in genere per applicazioni industriali, mentre le prime due soluzioni consentono sviluppi su taglie inferiori quali quelle richieste nel settore del terziario.

I paramenti fondamentali che individuano il campo di applicazione della tecnologia di cogenerazione sono:

• la dimensione dell'impianto;
• il rapporto potenza elettrica/potenza termica;
• la temperatura alla quale deve essere fornito il calore;
• il combustibile utilizzabile;
• il rendimento;
• il costo dell’investimento.

Nel caso più generale - e frequente - di carichi e tariffe fluttuanti, il sistema di cogenerazione è chiamato a funzionare in condizioni variabili nel tempo.
E’ quindi particolarmente importante chiarire le modalità di regolazione dell’impianto, nella fattispecie i gradi di libertà nella variazione del rapporto elettricità/calore.

Al riguardo, le tecnologie di cogenerazione possono essere suddivise nelle due classi seguenti:

• a un grado di libertà: motori, turbine a gas, turbine a vapore a contropressione, cicli combinati con turbina a vapore a contropressione, per i quali la definizione della potenza elettrica fissa necessariamente anche la potenza termica (o viceversa);
• a due gradi di libertà: turbine a vapore a condensazione e spillamento, cicli combinati con turbina a vapore a spillamento, turbina a gas a iniezione di vapore, per i quali il rapporto elettricità/calore generati può variare entro un campo molto ampio. In questo caso, potenza elettrica e termica generate possono essere fissate, entro certi limiti, indipendentemente l'una dall'altra.

Dal punto di vista dell'utilizzo del combustibile vi sono due discriminanti di cui bisogna tenere conto:

• modalità di combustione;
• limiti alle emissioni.

Grazie alla combustione esterna, il ciclo a vapore è il più flessibile; al contrario, la combustione interna ed il funzionamento continuo vincolano la turbina a gas all’uso di combustibili pregiati.

In definitiva:
· per i motori a ciclo Otto sono necessari combustibili gassosi o liquidi di qualità medio/alta. I motori Diesel sono molto più flessibili, poiché possono utilizzare anche oli pesanti, ma al peggiorare della qualità del combustibile aumentano sostanzialmente le spese di manutenzione;
· per le turbine a gas e nei cicli combinati sono indispensabili combustibili di ottima qualità, in pratica solamente gas naturale e gasolio.