La cogenerazione rappresenta una delle soluzioni più efficienti nel campo delle moderne tecnologie energetiche. Gli impianti di cogenerazione, infatti, permettono la produzione simultanea di energia elettrica e termica da un unico processo di conversione energetica, massimizzando così l’uso dei combustibili e minimizzando gli sprechi. 

Infatti, grazie alla capacità di migliorare significativamente l’efficienza energetica, gli impianti cogenerativi si distinguono tra le scelte più sostenibili ed economicamente vantaggiose nel settore energetico. 

Attraverso questo articolo ci addentreremo in una panoramica dettagliata su cos’è un impianto di cogenerazione e come funziona, delineando i suoi principali vantaggi operativi e le sue applicazioni pratiche. Esploreremo le basi tecniche che rendono questo impianto una scelta efficace per ridurre i costi energetici e aumentare la sostenibilità. 

Cos’è la cogenerazione

La cogenerazione, o coogenerazione, dall’inglese Combined Heat and Power (CHP), produzione combinata di calore ed energia, è un sistema efficace che permette di generare contemporaneamente energia elettrica e calore utilizzando un unico impianto, alimentato da un unico processo di conversione energetica. 

Questo sistema si distingue per la sua alta efficienza, poiché permette di recuperare il calore che normalmente andrebbe perso nei processi convenzionali di produzione energetica, utilizzandolo invece per riscaldare spazi, acqua o per i processi industriali. Un’ulteriore evoluzione di questa tecnologia è rappresentata dalla trigenerazione, che oltre a generare energia elettrica e calore, include anche un sistema di refrigerazione, ampliando così le applicazioni e migliorando ulteriormente l’efficienza energetica.

Un esempio pratico di impianto di cogenerazione si trova nell’industria manifatturiera, dove grandi quantità di calore ed energia sono richieste costantemente. Attraverso la cogenerazione, le fabbriche possono utilizzare il calore residuo del processo di generazione di energia elettrica per i processi di produzione o per il riscaldamento.

Tradizionalmente, l’energia elettrica viene generata in centrali che disperdono calore a bassa temperatura nell’ambiente, mentre l’energia termica è prodotta da caldaie che trasformano l’energia primaria, il combustibile, in energia termica con ridotto valore termodinamico. Infatti, negli impianti tradizionali, l’energia viene prodotta da motori che, attraverso un ciclo termodinamico, convertono il calore prima in energia meccanica e poi in energia elettrica usando dei generatori. Durante questo ciclo termodinamico, tuttavia, una parte del calore non può essere trasformato in “lavoro” (rispetto a quanto previsto del secondo principio della termodinamica), ma una parte di esso viene scaricata sotto forma di vapori o fumi. 

La cogenerazione, invece, riesce a sfruttare anche il calore disperso da un tradizionale impianto di produzione di energia elettrica. Questa parte di calore non utilizzata viene quindi recuperata dalla cogenerazione, per scopi industriali, come ad esempio la produzione di vapore, o per il riscaldamento civile, migliorando significativamente l’efficienza energetica e riducendo il consumo di combustibile.

Come funziona un impianto di cogenerazione

Come anticipato, gli impianti di cogenerazione rappresentano una soluzione tecnologica avanzata che sfrutta un processo efficiente e innovativo per la produzione simultanea di energia elettrica e calore. Il funzionamento di una centrale di cogenerazione permette di evitare che l’energia termica iniziale venga perduta: nei tradizionali impianti, infatti, si perde il 70-45% dell’energia iniziale. 

In questo contesto, la Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) rappresenta un’ulteriore ottimizzazione di questo processo, puntando a superare i limiti di efficienza definiti dalle normative per massimizzare il risparmio energetico e ridurre l’impatto ambientale. Un impianto è considerato ad alto rendimento se il risparmio di energia primaria (PES – Primary Energy Saving) è di almeno il 10%. Per i sistemi di micro-cogenerazione (con capacità inferiore a 50 kWe) o di piccola cogenerazione (inferiore a 1 MWe), è sufficiente che il risparmio di energia primaria sia positivo per rientrare in questa definizione.

Questa tipologia di impianti attualmente sfruttano principalmente combustibili fossili quali gas naturale, GPL e gasolio, oltre a fonti organiche non fossili come biogas, biometano, olio vegetale e biomasse. Si prevede che in futuro tali impianti possano evolvere verso l’uso di celle a combustibile, che utilizzano la reazione tra idrogeno e ossigeno per generare contemporaneamente elettricità e calore.

Le preferenze nella scelta della fonte energetica da utilizzare variano a seconda del tipo di tecnologia impiegata. Ad esempio, le grandi turbine a vapore e i turbogeneratori ORC (Organic Rankine Cycle), sono comunemente alimentati da carbone o biomasse a base di legno. I combustibili gassosi, come il gas naturale e il biogas, trovano applicazione ottimale in motori a combustione interna, turbine o microturbine a gas. Per quanto riguarda i combustibili liquidi, invece, questi sono generalmente utilizzati nei grandi impianti a ciclo combinato o impiegati per la generazione distribuita, in particolare nell’uso dell’idrogeno e delle celle a combustibile, note anche come “fuel cell”.

Il funzionamento di un impianto di cogenerazione può essere descritto attraverso i seguenti passaggi chiave:

• Produzione di energia elettrica. Un generatore converte l’energia meccanica, derivata solitamente da un motore a gas o a vapore, in energia elettrica. Gli impianti di cogenerazione si distinguono inoltre per il tipo di motore primario utilizzato: turbine a gas, impiegate sia in cicli semplici sia in cicli combinati, turbine a vapore (a contropressione o a spillamento) e motori a combustione interna (sia Diesel che ciclo Otto). Sono inoltre presenti centrali a ciclo combinato, che integrano turbine a gas e a vapore, massimizzando il recupero di energia e l’efficienza termica.
• Recupero e utilizzo del calore. Il calore residuo prodotto durante la generazione di energia elettrica, che normalmente andrebbe disperso, viene recuperato attraverso scambiatori di calore. Il calore recuperato può essere utilizzato per riscaldare acqua, ambienti o per processi industriali che richiedono vapore o acqua calda.
• Ottimizzazione del rendimento. Sistemi di controllo avanzati ottimizzano il rendimento dell’impianto, assicurando che la produzione di energia elettrica e termica sia sempre allineata con la domanda effettiva.

 

Come progettare un impianto di cogenerazione

Progettare un impianto di cogenerazione richiede un’approfondita valutazione delle esigenze energetiche specifiche del sito dove verrà installato. È fondamentale utilizzare software avanzati che facilitino la simulazione e l’ottimizzazione dei processi energetici. Questi strumenti permettono ai progettisti di modellare il comportamento dell’impianto sotto diverse condizioni operative e di prevedere le sue performance energetiche. 

A questi si aggiungono i software di modellazione 3D per impianti industriali, strumenti essenziali che offrono ai progettisti la capacità di visualizzare complessi layout fisici in un ambiente virtuale. Questi programmi permettono la creazione di modelli dettagliati, che includono tutti i componenti meccanici, elettrici e le tubazioni.

È inoltre essenziale scegliere la tecnologia più adeguata, come motori a combustione interna o turbine a gas, che si adatti all’ambiente operativo e al tipo di combustibile disponibile. La progettazione deve anche prevedere un sistema di controllo efficiente per ottimizzare la produzione e il consumo energetico, garantendo che l’impianto lavori alla massima efficienza possibile. 

Infine, è importante considerare le normative locali in materia di emissioni e sicurezza, assicurando che l’impianto rispetti tutti i requisiti legali e ambientali. Un progetto ben pianificato contribuisce significativamente alla riduzione dei costi operativi e aumenta la sostenibilità dell’impianto.

 

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