Come funzionano e quali sono i vantaggi degli impianti di cogenerazione

Indice della guida


1. Cogenerazione: cos'è

La cogenerazione è la produzione combinata di varie forme di energia. Il caso largamente più diffuso è la produzione di energia elettrica e calore in un unico impianto.
I sistemi di cogenerazione vengono anche definiti CHP, dall'acronimo inglese Combined Heat and Power.
Per evoluzione storica energia elettrica e termica vengono prodotte separatamente.
Per produrre energia elettrica si utilizzano grandi centrali termoelettriche posizionate lontano dai centri abitati.
In questo tipo di produzione il dato tipico è che solo il 40% del combustibile è trasformato in energia elettrica. La parte rimanente, ossia il 60%, non viene utilizzata e finisce per disperdersi nell'ambiente sotto forma di calore, ovvero energia termica.
Per produrre energia termica si utilizzano caldaie che convertono in energia termica l'energia primaria del combustibile.
Questo tipo di produzione implica la conversione di una forma di energia ad elevato valore termodinamico, in energia termica di ridotto valore.

Impianto cogenerazione BioBrent

Gli impianti di cogenerazione sfruttano il calore disperso da un impianto di produzione di energia elettrica, dispersione che è insita nel processo stesso di generazione.
Il recupero di questa energia è il principio di base della cogenerazione: con un solo impianto sia ha una doppia produzione di energia.
In un impianto di cogenerazione è proprio questa frazione di calore che non è possibile "sfruttare" ad essere recuperata, ad uso industriale o per usi civili (riscaldamento degli edifici).
In uno scenario in cui sono richieste contemporaneamente energia elettrica ed energia termica, anziché acquistare energia elettrica dalla rete e installare una caldaia è vantaggioso ricorrere proficuamente alla produzione combinata di elettricità e calore, utilizzando un impianto di cogenerazione.
Il primo vantaggio è il risparmio energetico determinato dal minor consumo di combustibile.
Il processo descritto può essere semplificato graficamente come segue:

Impianto termoelettrico alimentato a combustibile
Impianto di cogenerazione

È importante sottolineare che anche in un impianto di cogenerazione non tutto il calore dissipato può essere recuperato. Una porzione viene comunque dispersa anche nel migliore ciclo di produzione combinata. Un impianto può essere definito di "cogenerazione" solo se soddisfa una serie di indici prestazionali definiti dall'Autorità per l'Energia Elettrica (AEEG).


2. Impianti di Cogenerazione: come funzionano

In termini molto semplificati, un impianto di cogenerazione è composto da tre parti:

  • un "motore primo";
  • un generatore elettrico;
  • degli scambiatori di calore, che svolgono la funzione di recupero del calore.

I "motori primi" determinano molte caratteristiche dell'impianto di cogenerazione. I più utilizzati sono:

  • motori alternativi a combustione interna (M.C.I.);
  • turbine a gas;
  • turbine a vapore;
  • impianti a ciclo combinato (C.C.);

La prima tipologia trova applicazione sia impianti di piccola potenza (mini e micro-cogenerazione) sia su impianti di potenza elevata.
La terza e quarta sono impiegate in impianti di potenza elevata e vengono quindi usati per applicazioni industriali e centrali di teleriscaldamento.
Oltre alla taglia dell'impianto il motore primo determina il tipo di combustibile utilizzabile.


3. Vantaggi della Cogenerazione

Gli impianti di cogenerazione aumentano l'efficienza dei sistemi di generazione di energia elettrica, recuperando per altro uso il calore che deve necessariamente essere dissipato dall'impianto.
La localizzazione vicino al punto di fornitura incrementa a sua volta l'efficienza riducendo le perdite di trasmissione e distribuzione dell'energia.
Il primo vantaggio di un cogeneratore è quindi di ridurre il consumo dell'energia primaria (combustibile). Si ottiene un miglioramento del rendimento complessivo con una diminuzione dei consumi dell'ordine del 35% - 40%.
Dai minori consumi deriva un altro vantaggio: diminuiscono le emissioni in atmosfera riducendo quindi l'impatto ambientale della produzione di energia elettrica e termica.
I minori consumi di energia primaria rappresentano un significativo vantaggio economico. Questo vantaggio può essere rafforzato dagli incentivi di cui è possibile beneficiare se si investe in un sistema cogenerativo.
Riepilogando i vantaggi sono di tre tipi: energetici, ambientali ed economici.


4. Cogenerazione, Microcogenerazione, Cogenerazione Domestica

Da alcuni anni gli sviluppi tecnologici hanno portato a prestazioni migliori anche nel campo delle piccole macchine.
Maggiore efficienza e riduzione dei costi hanno allargato le possibilità per impianti di cogenerazione su piccola scala.
Si parla di micro-cogenerazione o piccola cogenerazione quando le potenze elettriche vanno dal kilowatt al megawatt e gli impianti sono destinati all'uso domestico/residenziale (si parla anche di cogenerazione domestica) e alle piccole/medie imprese.
La destinazione d'uso differenzia cogenerazione e microcogenerazione: nei casi della cogenerazione domestica lo scopo primario è la produzione di calore, generalmente la componente elettrica è in surplus rispetto alle necessità, e può essere rivenduta all'azienda elettrica.


5. Come vengono alimentati gli impianti di Cogenerazione

In un impianto di cogenerazione si possono usare vari tipi di combustibile (energia primaria).
L'impianto può essere alimentato dai tradizionali combustibili di origine fossile: carbone, gas naturale, gasolio e olio combustibile.
Possono essere utilizzate anche le biomasse il cui utilizzo a fini energetici non contribuisce al fenomeno dell'effetto serra.
Biomasse che possono essere prodotte appositamente, derivare da scarti e anche dal trattamento di rifiuti.
Esempi sono biocarburanti come l'olio vegetale, il cippato legnoso, scarti agricoli e forestali, biogas proveniente da discariche o depuratori. Si tratta di una fonte energetica rinnovabile.
Negli impianti termovalorizzatori vengono utilizzati direttamente come combustibile i rifiuti.
Si tratta di una miscela di rifiuti trattata con appositi processi detta CSS (Combustibile solido secondario - In passato CDR Combustibile derivato da rifiuto).


6. Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR)

Gli impianti di cogenerazione possono produrre risparmi energetici di varia entità.
Per determinare gli incentivi e benefici fiscali è stata introdotta la definizione di Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) :
Un'unità di cogenerazione è definita ad alto rendimento se il valore del risparmio di energia primaria (PES - Primary Energy Saving) che ne consegue è almeno del 10% oppure, nel caso di unità di micro-cogenerazione (< 50 kWe) o piccola cogenerazione (< 1 MWe), se assume un qualunque valore positivo.
Riportiamo qui il quadro normativo di riferimento:

  • La direttiva 11 febbraio 2004 del Parlamento Europeo e del Consiglio, n.2004/8/CE;
  • Il decreto legislativo 8 febbraio 2007, n.20 ;
  • Il decreto legislativo 3 marzo 2011, n.28 ;
  • Il Decreto del Ministero dello Sviluppo Economico del 4 agosto 2011;

7. Ambiti di applicazione degli impianti di cogenerazione

Dopo la crisi energetica del 1973 la cogenerazione è stata utilizzata per migliorare l'efficienza dei sistemi di produzione di energia. Tuttavia gli alti costi ne hanno limitato l'impiego ai contesti della grande industria energivora.
L'evoluzione delle tecnologie, i maggiori costi dell'energia primaria e la crescente sensibilità ambientale hanno reso più vantaggiosa la diffusione di sistemi cogenerativi anche nelle piccole e medie industrie, in ambito ospedaliero, e in ambito residenziale.
Le utenze industriali caratterizzate da una domanda costante nel tempo di energia termica ed elettrica possono trarre grandi benefici dalla cogenerazione:

  • cartiere
  • industrie alimentari
  • industrie di raffinazione del petrolio
  • industrie chimiche e farmaceutiche
  • industrie della ceramica
  • industria tessile
  • industria per la produzione di materiali plastici

Possono trarre vantaggi dalla cogenerazione le utenze civili e industriali caratterizzate da domanda di energia termica quali:

  • ospedali e cliniche
  • piscine e impianti sportivi
  • centri commerciali
  • serre

L'energia elettrica viene in larga parte ceduto alla rete di distribuzione.
Un caso a parte sono le utenze civili servite da reti di teleriscaldamento.


8. Il mercato degli impianti di cogenerazione in Italia

Alcune tendenze e caratteristiche del mercato della cogenerazione in Italia. I dati sono tratti dalla "RELAZIONE ANNUALE SULLA COGENERAZIONE IN ITALIA ANNO PRODUZIONE 2016" pubblicata nell'aprile 2018.

  • Tecnologie impiegate

Rispetto al 2014 la capacità di generazione è aumentata 13344 MW rispetto a 13155 MW.
Le turbine a gas a ciclo combinato (C.C.) con recupero di calore rappresentano la tecnologia con maggior capacità di generazione elettrica installata (81,2% sul totale).
I motori a combustione interna (M.C.I.) risultano la tecnologia maggiormente utilizzata (88,6% delle unità).
La capacità di generazione totale risulta aumentata in seguito all’entrata in esercizio di nuove unità di cogenerazione perlopiù di micro o piccola cogenerazione appartenenti alla tecnologia motore a combustione interna.

  • Combustibili

Nel 2016 il valore complessivo di energia primaria usato per la cogenerazione è stato di 156.930 GWh (127.728 GWh dato 2014).
Il gas naturale rappresenta la principale fonte di alimentazione (75,7% del totale, il dato somma anche le quote minori di GPL e GNL).
In calo l'incidenza di gas, prodotti petroliferi liquidi e carbone.
Crescono fonti rinnovabili (biomasse) e rifiuti.

  • Contributi delle unità di teleriscaldamento

L'incidenza sul totale della produzione elettrica e termica proveniente da unità di teleriscaldamento è in calo rispetto a quanto registrato nel 2014.
Il dato dell'incidenza della produzione di energia elettrica lorda è 27,6% nel 2016 (29,4 % nel 2014).
Poche delle nuove unità entrate in esercizio sono collegate a reti di teleriscaldamento.