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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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)
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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)
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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])
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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