La cogenerazione é la produzione, a partire da un unico sistema integrato, di più fonti energetiche partendo da una fonte energetica primaria, si tratta quindi di un campo estremamente vasto che comprende tecnologie estremamente diverse tra loro. In genere la fonte energetica primaria è un combustibile (gas, carbone,ecc) che permette la produzione combinata di energia elettrica e calore in uno stesso impianto.
La produzione combinata può incrementare l'efficienza di utilizzo del combustibile fossile fino ad oltre l'80%; a ciò corrispondono minori costi per l’approvvigionamento del combustibile fossile e minori emissioni di inquinanti e di gas ad effetto serra (cosiddetti gas climalteranti), rispetto alla produzione separata di elettricità e di calore. E' bene tuttavia sottolineare che, in termini rigorosi, le due dizioni "produzione combinata" e "cogenerazione" non sono equivalenti. La normativa vigente in Italia, infatti, stabilisce che un impianto di produzione combinata può essere considerato impianto di cogenerazione soltanto se soddisfa determinati requisiti tecnici (come si può approfondire nella sezione incentivi).
Di solito si usa classificare i diversi sistemi in base alle dimensioni e si parla di:
- micro-cogenerazione, quando le potenze in gioco sono comprese tra 1 e 50 kW; può essere realizzata con motori endotermici, alimentati a gas
- piccola cogenerazione quando la potenza elettrica è inferiore ad 1MW. I sistemi maggiormente utilzzati sono motori alternativi a combustione interna, microturbine a gas o motori a ciclo Stirling
- cogenerazione per potenze superiori a 1MW.
La differenza principale tra i grossi sistemi di cogenerazione e gli impianti di piccola cogenerazione e microcogenerazione è che i primi generano principalmente energia elettrica e il calore è un utile sotto-prodotto, mentre i secondi producono principalmente calore generando elettricità come sotto-prodotto.
I sistemi di microcogenerazione, sono abbastanza diffusi nel terziario (case di cura, ospedali, scuole, alberghi e ristoranti, centri sportivi supermercati), grazie agli interessanti risparmi energetici ed economici ottenibili, ed anche nel settore dell’artigianato e della piccola industria ove vi sia contemporanea richiesta di elettricità e di calore.
La cogenerazione viene realizzata in particolari centrali termoelettriche, dove si recuperano l'acqua calda o il vapore di processo e/o i fumi, prodotti da un motore alimentato a combustibile fossile (gas naturale, olio combustibile, biomasse, etc): si ottiene così un significativo risparmio di energia rispetto alla produzione separata dell'energia elettrica (tramite generazione in centrale elettrica) e dell'energia termica (tramite centrale termica tradizionale). recuperando il calore generato durante la produzione di energia elettrica, che altrimenti andrebbe disperso nell'ambiente, e riutilizzandolo si aumenta l’efficienza energetica globale con che può raggiungere anche valori del 90%.
COGENERAZIONE: VANTAGGI
Autoprodurre in maniera combinata elettricità e calore comporta una serie di vantaggi tecnico-economici molto interessanti.
Un impianto convenzionale di produzione di energia elettrica ha una efficienza globale di circa il 40%, mentre il restante 60% viene disperso sotto forma di calore; con un impianto di cogenerazione, invece, il calore prodotto dalla combustione non viene disperso, ma recuperato per altri usi.
I valori di rendimento medi in potenza elettrica nel campo della piccola generazione sono mediamente compresi nei seguenti ambiti:
- turbina a vapore 18-20%
- turbogas 23-33%
- motori alternativi 34-42%
Considerando, invece il rendimento globale del sistema di cogenerazione (energia termica ed energia elettrica prodotta rispetto a quella introdotta come combustibile) si ha:
- turbina a vapore 80-90%
- turbogas 70-85%
- motori alternativi 65-90%
Tutto ciò ovviamente permette di diminuire i costi (è una sorta di “prendi due paghi uno”).
Inoltre, utilizzare un sistema di cogenerazione in luogo di due sistemi separati di tipo tradizionale consente, consente di risparmiare energia primaria, diminuendo le emissioni di anidride carbonica in atmosfera salvaguardando l’ambiente. Proprio per questo motivo la cogenerazione è assimilata alle energie rinnovabili ed è incentivata dallo stato, a recepimento delle direttive europee.
Mediamente un impianto di cogenerazione a gas naturale permette, per ogni KWh prodotto, un risparmio di CO2 pari a 450 gr, rispetto alla produzione separata di energia elettrica (centrale termoelettrica) ed energia termica (caldaia convenzionale).
COGENERAZIONE: COMPONENTI
Un impianto di cogenerazione comprende almeno un motore primo (turbina a vapore, turbina a gas, oppure motore a combustione interna), ed un generatore elettrico.
Si esaminano brevemente i componenti ed il funzionamento dei motori primi che sono più comunemente impiegati nella cogenerazione.
In 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 alla turbina che, trascinando l’alternatore, la trasforma in energia elettrica.
Il prelievo di energia termica utile dal fluido di processo può avvenire in vari modi; le soluzioni più diffuse per il prelievo di calore sono le seguenti:
- Turbine 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.
- Turbine a condensazione con spillamento: il calore è prelevato estraendo una certa portata 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.
Una turbina a gas è costituita da un compressore calettato sullo stesso albero di una turbina e da una camera di combustione situata tra questi due componenti. L’aria viene aspirata e compressa nel compressore (trascinato nella sua rotazione dalla turbina) ed in seguito inviata alla camera di combustione. I gas combusti in uscita che posseggono un’elevata entalpia si espandono in turbina provocandone la rotazione. L’energia meccanica così ottenuta è trasformata in energia elettrica mediante un alternatore. Uno scambiatore che recupera il calore dai fumi esausti prima di scaricarli nell’atmosfera.
Il motore a combustione interna o motore endotermico è qualsiasi motore termico nel quale, attraverso la combustione di una miscela composta da un carburante (benzina, gasolio, metano, GPL, ecc...) e un comburente (aria) all'interno di una camera di combustione, si produce calore trasformandolo poi in lavoro meccanico. Dunque a rigore anche una turbina a gas è un motore a combustione interna. In genere però quando si parla di motore a combustione interna si pensa soprattutto ad un motore volumetrico, nel quale la miscela di carburante e aria viene immessa in modo intermittente tramite il circuito di aspirazione, piuttosto che a un motore continuo come la turbina a gas. Più precisamente nella cogenerazione sono impiegati motori volumetrici alternativi, analoghi a quelli delle automobili, a ciclo otto o a ciclo Diesel, solo più grossi. Un generatore trasforma l’energia meccanica prodotta dal motore primo in energia elettrica e uno scambiatore di calore recupera il calore dai fumi esausti prima di scaricarli nell’atmosfera.
COGENERAZIONE: COSTI E BENEFICI
Rispetto alla generazione separata di energia elettrica e termica, la cogenerazione riduce del 30-40% la quantità di combustibile utilizzato, consentendo un notevole risparmio economico. Inoltre l’energia autoprodotta consente anche di risparmiare sulla bolletta elettrica. In media l'impianto si ripaga in 4-5 anni con un utilizzo di almeno 3000-4000 ore l'anno (autoconsumo 100% energia elettrica prodotta).
COGENERAZIONE: INCENTIVI
Premesso che la produzione combinata è considerabile cogenerazione unicamente quando alcune grandezze caratteristiche del proprio funzionamento, quali il suo Indice di Risparmio di Energia (IRE) ed il suo Limite Termico (LT), sono rispettivamente maggiori di due valori limite fissati nella delibera AEEG n. 42/02, la cogenerazione, consentendo una riduzione delle emissioni nocive in atmosfera, è a tutti gli effetti assimilabile a una fonte rinnovabile e dunque gode degli stessi incentivi.
In particolare i principali benefici che la legislazione attuale riconosce alla cogenerazione sono:
- esenzione dall'obbligo di acquisto di certificati verdi
- diritto all'utilizzazione prioritaria dell'energia elettrica prodotta in cogenerazione, dopo quella prodotta da fonti rinnovabili
- diritto al rilascio di certificati verdi (per i soli impianti di cogenerazione abbinati al teleriscaldamento di cui all’art. 14 del D. Lgs. 8 febbraio 2007, n. 20 )
- qualifica di Cliente Idoneo sul mercato del gas naturale (per la sola quota di gas utilizzata in cogenerazione)
- possibile ottenimento di "titoli di efficienza energetica" commerciabili
Si ricorda che la Legge Finanziaria 2008 (Legge 24 dicembre 2007 n. 244) e il Collegato alla finanziaria (Legge 29 novembre 2007, n. 222) introducono alcune modifiche riguardo all’incentivazione dell’energia prodotta da impianti a fonte rinnovabile, in particolare il periodo di incentivazione mediante rilascio di certificati verdi ha una durata di quindici anni e a partire dal 2008 i certificati verdi hanno un valore unitario pari ad 1 MWh.
Al termine dei quindici anni l’energia elettrica è remunerata, con le medesime modalità, alle condizioni economiche previste dall’articolo 13 del Decreto Legislativo 29 dicembre 2003, n. 387.
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