1

LA GENERAZIONE COMBINATA DI ENERGIA ELETTRICA E CALORE

Per soddisfare i fabbisogni di energia elettrica e termica si può pensare ad una fornitura che prevede

il ricorso a due servizi distinti oppure attraverso un unico servizio integrato. I sistemi di generazione

combinata di energia elettrica e calore possono assolvere a quest’ultimo compito.

I sistemi di cogenerazione, ossia produzione combinata di energia meccanica e termica, a seconda

dell’impiego possono essere formati da unità singole o modulari quali: motori alternativi, turbine a

gas, turbine a vapore (in contropressione).

Questi sistemi sono caratterizzati dall'avere in ingresso energia termica sotto forma di combustibile

(anche di tipo rinnovabile) e in uscita, a seconda dei rendimenti e delle condizioni operative, sia

energia termica sotto forma di scarichi sia energia meccanica, convertibile in elettrica tramite

generatori.

Generazione classica tramite due sistemi separati

Si supponga che l'energia elettrica venga prodotta in una centrale termoelettrica con un rendimento

%1,39.

=elettricaen

produzη e che l'energia termica (a bassa temperatura) venga prodotta con un rendimento

dell'85%.

L’efficienza risulta pari a :

%5,53

85.0100

391.0100

100100=

+

+==

I

O

EE

η

EI = 373

Generazione tramite sistemi integrati

L'energia elettrica potrebbe essere prodotta con un motore alternativo in cui un alternatore è

collegato all'albero del motore termico (gruppo elettrogeno). Il calore viene recuperato sia dai gas di

scarico e dagli scambiatori per il raffreddamento di acqua e olio.

2

In impianti di media taglia, ottenuti modificando motori diesel, si arriva a rendimenti di produzione

elettrica tra il 30-40%. Il calore non convertito in lavoro viene trasferito all'ambiente tramite i gas di

scarico (30% del calore dissipato), tramite l'impianto di raffreddamento (35-30%) e tramite

irraggiamento e convezione diretta (fino a 10%).

Non tutto il calore ceduto alla sorgente fredda può realmente essere recuperato perché sarebbero

necessari scambiatori totalmente adiabatici di superficie infinita.

Energia da

combustibile

Energia elettrica Calore recuperato Energia non recuperata Rapporto

Elettricità/calore

100 30-40 55-35 20 0.8-1.2

Poiché in questi impianti il rapporto E/T coincide con il valore indicato nell'esempio iniziale,

l'utenza potrebbe essere servita tramite un impianto di cogenerazione con motore a combustione

interna con un forte risparmio energetico. Infatti, supponendo per semplicità un rapporto E/T pari a

1 ed un rendimento di produzione dell'energia elettrica pari al 40%, l'utenza può essere soddisfatta

consumando soltanto 100/0,4=250 unità di combustibile a fronte delle 373 unità consumate nella

configurazione precedente. Infatti le 250 unità di combustibile genererebbero 250*0,4=100 unità di

energia elettrica e 100 unità di calore (250*0,4=100) con rendimento totale dell’80%.

Purtroppo la situazione non è così vantaggiosa se il rapporto E/T richiesto dall'utenza si discosta

molto dal rapporto proprio dell'impianto di cogenerazione.

Se, ad esempio, l'utenza avesse richiesto 100 unità di energia elettrica e soltanto 50 unità di energia

termica E/T=2, lo stesso impianto – che produce lavoro e calore secondo il rapporto E/T=1

avrebbe continuato a consumare 250 unità di combustibile per produrre 50 unità di energia termica,

dissipando 50 unità verso l’ambiente perché in eccesso rispetto al fabbisogno. Rendimento totale

60%.

Infatti per poter diminuire la "rigidezza" dell'impianto e svincolare, almeno in parte, la produzione

di energia meccanica dalla produzione di calore è necessario introdurre alcuni gradi di libertà

aggiuntivi con un parallelo incremento della complessità dell'impianto, come si vedrà nel seguito.

3

MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA

Acqua raffr. motore

Olio lubrif. motore

Gas di scarico

Ingresso acqua dall’utenza

Acqua all’utenza

Fig. 1a: recupero sul lato termico, motore alternative

Fig. 1b: Schema impianto con TG

Normalmente l’energia elettrica viene prodotta con un rendimento del 35-40%, dove il rendimento è

dato dal rapporto tra energia elettrica prodotta e energia in ingresso sotto forma di combustibile. La

maggior parte delle perdite è dovuta alla grande quantità di calore contenuta nei fumi o nell’acqua

di raffreddamento che non viene recuperata. Come posso recuperare questo calore?

• utilizzo il calore per soddisfare le richieste di energia termica (riscaldamento ambienti, usi di

processo) che dovrebbero essere soddisfatte altrimenti attraverso la produzione di calore con

centrali termiche tradizionali

4

Fig. 2: Situazione senza e con cogenerazione

Per selezionare propriamente le dimensioni e le modalità operative del motore, si devono valutare i

carichi elettrici termici ed eventualmente frigoriferi del sistema (orari, giornalieri, mensili, annuali),

a seconda del tipo di analisi che si intende condurre.

In fig. 3a è stato riportato un carico orario di un’ipotetica utenza in un tipico giorno invernale. si

possono notare le caratteristiche salienti di una simile curva di richiesta energetica, in cui la

domanda elettrica comincia a salire verso le 6 di mattina, all’inizio delle attività rimanendo

pressoché costante su tutta la giornata, mentre il carico termico maggiore (prevalentemente

5

riscaldamento) si presenta verso le 8 e tende a diminuire rimanendo abbastanza costante sulla

giornata, una volta che si è provveduto a portare gli ambienti alla temperatura di comfort.

In fig. 3.b si è riportata invece la curva annuale dei carichi medi per la stessa ipotetica utenza. si può

notare come ad una diminuzione generale dei carichi corrisponda anche un carico base (segnalato

dalle linee tratteggiate). Questo carico base è un elemento importante in quanto spesso i sistemi di

cogenerazione sono dimensionati in modo da soddisfare solo questo tipo di carico.

In questo caso, esiste un sistema parallelo di centrale termica in grado di fornire il calore

addizionale che si rendesse necessario, quando il riscaldamento durante il giorno eccede la quantità

di base fornita dal gruppo di cogenerazione. Allo stesso modo per l’energia e potenza elettrica, che

possono essere prelevate dalla rete locale a seconda di quanto ci si discosta dal carico di base

autoprodotto.

Un’analisi a priori del gruppo su cui fare le valutazioni risulta indispensabile. esistono parecchie

opzioni che permettono a priori di condurre una valutazione sui dati caratteristici del motore primo.

Per illustrare questa procedura si consideri la fig. 4 che mostra la potenza elettrica in funzione di

quella termica.

6

Le tre linee tratteggiate sono la caratteristica elettrica in funzione della termica di 3 famiglie di

motori primi. In questo esempio il rapporto caratteristico T/E aumenta spostandosi da A verso B

verso C.

Le richieste dell’utenza sono invece punteggiate e rappresentate dalle due linee, quella verticale ed

orizzontale (che possono ad esempio rappresentare proprio un valore medio di riferimento per i

carichi di base, come anticipato appena sopra).

Si possono identificare 5 punti fondamentali:

punto • 1: rappresenta un’esatta uguaglianza tra le richieste elettriche e termiche dell’utenza e il

corrispettivo elettrico e termico fornito dal motore primo con un valore caratteristico T/E uguale a

B.

punto ∆ 2 si seleziona un motore primo con un rapporto caratteristico pari a C, in cui le richieste

termiche sono perfettamente soddisfatte, ma la fornitura elettrica non è sufficiente a soddisfare le

richieste dell’utenza. In questo caso l’utenza deve organizzarsi per poter acquistare dalla rete locale

l’energia supplementare. Spesso questa si rivela la migliore soluzione economico-operativa da cui

partire per valutazioni successive.

punto ∆ 3 si seleziona un motore primo con una caratteristica tipo C, tale che siano soddisfatte le

richieste elettriche, ma si abbia un eccesso nella produzione di energia termica. Generalmente

questa non è quasi mai una scelta conveniente perché il rendimento generale è basso. Tuttavia può

risultare lo stesso una soluzione interessante se ci si aspetta un aumento nei futuri consumi termici e

la presente risulta solo una soluzione temporanea oppure se si riesce a vendere l’energia termica in

eccesso ad un qualche utente interessato all’acquisto.

punto ∆ 4 rappresenta il caso in cui il motore selezionato ha una caratteristica tipo A, in cui la

richiesta elettrica è soddisfatta mentre la termica necessita di un integrazione in quanto il gruppo

non è in grado di erogarla. In questo caso vengono abitualmente impiegate caldaie ausiliarie. Questa

si rivela spesso la scelta economica migliore, soprattutto se si hanno delle caldaie a disposizione e

7

se si intende dimensionare il gruppo in modo da utilizzare tutta l’energia termica che esso può

fornire.

punto ∆ 5 rappresenta il caso di un motore primo con caratteristica tipo A in cui la richiesta termica

viene perfettamente soddisfatta mentre la capacità elettrica del gruppo è eccessiva per l’utente che

deve pensare dunque ad una cessione dell’energia in esubero.

In questo caso la valutazione si fa più complessa in quanto la stima economica dipende da molti

fattori.

CONFIGURAZIONI DI BASE

Fig. 5: Valori indicativi sulle rese elettriche e termiche per tipologia di motore primo

8

Rendimento

elettrico

Rendimento

termico

Rend. totale

Motori a combustione interna a

recupero totale

0.25-0.40 0.30-0.45 0.70-0.85

Motori a combustione interna con

recupero dai soli fumi

0.25-0.40 0.15-0.25 0.50-0.60

Turbogas 0.20-0.38 0.35-0.50 0.70-0.85

Turbine a vapore 0.10-0.35 0.60-0.75 0.75-0.90

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.1 1 10 100 1000

POTENZA ELETTRICA [MWe]

REN

DIM

ENTO

ELE

TTR

ICO

Fig. 7: Range di variazione del rendimento elettrico in funzione del motore primo/ciclo

9

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 100 200 300 400

Temperatura alla quale è richiesto il calore [°C]

Ren

dim

ento

ele

ttric

o

Fig.8: Rendimenti elettrici in funzione della richiesta termica

10

CARATTERISTICHE DELL'IMPIANTO

1. potenza elettrica

2. qualità quantità Et disponibile

3. rendimento

OBBIETTIVI

1. risparmio energia primaria

2. sicurezza approvigionamento

3. economica

CRITERI DI SCELTA

1. 100% termico

2. 100% elettrico

3. fabbisogni di base

TIPI DI COSTI

1. combustibile

2. manutenzione 1-1,2 c€/kWh

3. lubrificazione 0,25-0,77 c€/kWh

4. consumi tipici ma 0,35 Sm3/kWh

MA 0,35 Sm3/kWh

TG 0,5 Sm3/kWh

TV 10 kg vapore/kWh

11

0

0.5

1

1.5

2

0.1 1 10 100 1000

POTENZA ELETTRICA [MWe]

CO

STO

DI I

NVE

STIM

ENTO

[kEu

ro/k

We]

Fig.9: Costi specifici per tipologia e taglia di motore primo

A titolo indicativo, supponendo un recupero termico totale, l’energia elettrica autoprodotta ha un

prezzo che varia (al netto dell’imponibile) tra

MA 3,4 c€/kWh

TG 3,7 c€/kWh

TV 3-3,3 c€/kWh

inoltre bisogna prevedere oneri per contratto di soccorso (0,4-0,6 c€/kWh)

12

Premessa fondamentale è la disponibilità di combustibile opportuno (solitamente gas naturale) alle

condizioni richieste (pressione, portata).

VINCOLI ENERGETICI

nessun tipo di energia deve essere sprecato (non utilizzato); il limite e' più impegnativo per la parte

termica, poiché la quota elettrica eventualmente non utilizzata viene ceduta alla rete elettrica.

bisogna considerare attentamente i livelli termici caratteristici delle utenze (livelli di temperatura).

deve esserci contemporaneità tra domanda energetica ed offerta energetica (individuazione di

potenze diverse per periodi diversi).

VINCOLI ECONOMICI

fondamentalmente entrano in gioco i seguenti fattori. - spesa energetica senza cogenerazione - spesa

energetica (da esterno) con cogenerazione - spesa di gestione dell'impianto di cogenerazione

- costo impianto con eventuali contributi

- costo di manutenzione dell'impianto di cogenerazione

-imposte gravanti sull'impianto di autoproduzione

Si tratta di effettuare un confronto economico tra le due possibilità:

senza cogenerazione

con cogenerazione

ed ancora l'ipotesi "con cogenerazione" deve essere analizzata secondo il modo di funzionamento

(continuo o parziale)

13

Caratteristiche principali di un impianto

CON TURBINA A GAS

✓ rapporto caratteristico (potenza termica recuperata / potenza elettrica ai morsetti) intorno a 3

✓ recupero di calore dai gas di scarico ad alta temperatura per la produzione di vapore e/o acqua

calda

✓ gas di scarico costituiti per la maggior parte da aria (possibilità di usare direttamente nel processo

tali gas)

VANTAGGI

✓ ingombri ridotti

✓ buon grado di affidabilità

✓ rapidità di avviamento

✓ rapidità di installazione

✓ automazione spinta del sistema con conseguente minima richiesta di sorveglianza

✓ basso livello di inquinamento atmosferico

✓ necessità di calore ad alta temperatura (400-500°c)

CONTROINDICAZIONI

✓ basso rendimento a carico ridotto

✓ manutenzione più onerosa rispetto al motore alternativo

✓ alimentazione con gas naturale ad alta pressione (1 - 1,2 MPa [10-12 bar])

14

La differenza principale tra turbina a gas e motore alternativo è costituita dal fatto che, a pari

consumo di combustibile, la turbina a gas ha una minore produzione di energia elettrica ed una

maggiore quantità di calore ricuperabile rispetto al motore diesel (diverso rapporto T/E).

BIBLIOGRAFIA

Anglani N. 1999. Modellizzazione e ottimizzazione di flussi energetici in impianti di processo e

servizio.

Dispense corsi CSE. 2000. Pavia.

Figure tratte da Perotti M. 2005. Politecnico di Milano.

Schibuola L. 2002 La cogenerazione di energia elettrica e calore. Società editrice Esculapio.

Bologna