Sistemi VRF/VRV L evoluzione più recente

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1 FEBBRAIO 2012 IMPIANTI CLIMA Il media digitale per l HVAC Numero 02 Microcogenerazione domestica UTA o autonomi Roof Top Sistemi VRF/VRV L evoluzione più recente Compressori a confronto

2 Microcogenerazione domestica EÊ stimolante la possibilità di sostituire le tradizionali caldaie domestiche, con sistemi micro-cogenerativi dotati delle medesime caratteristiche di sicurezza, semplicità dêuso e di installazione, con in più la possibilità di autoprodurre energia elettrica. Giacomino Redondi giacomino.redondi@impianticlima.com C omplice anche lêemanazione di nuovi provvedimenti legislativi in materia, si è manifestato recentemente un sensibile interesse nei riguardi dellêapplicazione della microcogenerazione, ovvero la cogenerazione nella gamma di potenze elettriche inferiori a 50 kw (secondo la definizione presente nel D. Lgs. 20/2007). Per tale ambito operativo il Ministero dello Sviluppo Economico, di concerto con quello dellêambiente e dellêinterno, ha in atto lêimplementazione di procedure autorizzative semplificate per lêinstallazione e lêesercizio dei relativi impianti, nonché condizioni tecnico-economiche di connessione alla rete particolarmente incentivanti e premianti per la cogenerazione ad alto rendimento. DÊaltra parte la ricerca ed il progresso tecnologico hanno sviluppato tecniche produttive che permettono la realizzazione di macchine ed impianti cogenerativi di piccola taglia con rendimenti superiori allê85%, basso impatto ambientale, contenuta rumorosità e, grazie allêelettronica, gestione molto agevole. Presupposti essenziali per lêottimizzazione Il punto di partenza per uno studio di ottimizzazione energetica attraverso la cogenerazione, è comprendere che il limite principale di tale tecnologica riguarda soprattutto la corrispondenza tra produzione e doman- 26 Impianti Clima - Febbraio N.2

3 1. ANDAMENTO INDICATIVO DELLE RICHIESTE DI CALORE ED ELETTRICITÀ IN AMBITO DOMESTICO, SECONDO DUE MACRO-ZONE GEOGRAFICHE da di energia elettrica e termica. Non serve a molto ottenere alti rendimenti complessivi, se poi non si può razionalmente utilizzare tutta lêenergia prodotta. Il beneficio della cogenerazione risiede proprio nel fatto che, con la produzione congiunta, si consegue un risparmio sul consumo di energia primaria rispetto alla produzione separata delle medesime quantità di energia elettrica e termica. Nel settore residenziale, in particolare, i diagrammi di carico termico ed elettrico non sono molto coincidenti nel tempo. LÊandamento dei prelievi elettrici è infatti caratterizzato da molti picchi di breve durata che, per lêimpianto di cogenerazione, comportano la necessità di uno scambio bidirezionale continuo con la rete, che rischia di compromettere le prestazioni del generatore se la gestione non viene attentamente curata. Analogamente, la domanda termica, oltre ad essere fortemente stagionale, è estremamente variabile in funzione della tipologia di utenza considerata (monofamiliare o condominiale), ed anchêessa risulta poco uniforme, tanto da richiedere lêadozione di un accumulo termico. Al fine di conseguire significativi benefici energetici ed economici, le applicazioni in ambito microcogenerativo necessitano il superamento della soglia di almeno ore annue di funzionamento; allo scopo, lêaccoppiamento di tali sistemi con un gruppo frigorifero ad assorbimento è in grado di ampliare opportunamente il loro il periodo di funzionamento. In tal modo è altresì possibile spostare il picco della domanda di energia elettrica dallêinverno allêestate, ampliando il concetto di cogenerazione intesa non solo come tecnologia efficiente di potenza elettrica e termica, ma anche di potenza frigorifera. Il dimensionamento si basa essenzialmente su calcoli di convenienza economica, con una analisi accurata dei carichi elettrici e termici dellêutenza e della loro distribuzione nel tempo. Dal punto di vista energetico lêimpianto andrebbe dimensionato in base alla necessità termica: un eventuale eccesso di produzione elettrica può essere immesso in rete, garantendo lêimpiego del 100% dellêenergia prodotta anche alle utenze che, spesso, non hanno necessità contemporanea di energia elettrica e 2. TIPICHE RICHIESTE ENERGETICHE DI UNA MODERNA UTENZA DOMESTICA Impianti Clima - Febbraio N. 2 27

4 3. SISTEMA DI MICROCOGENERAZIONE CON MOTORE A COMBUSTIONE INTER- NA, CHE ADATTA IL CAPOSTITPITE ECOWILL HONDA AL MERCATO EUROPEO. EFFICIENZA COMPLESSIVA 92%, POTENZA ELETTRICA 1,0 KW, POTENZA TERMICA 2,8 KW. (VAILLANT HONDA) termica. Una potenza termica variabile come quella che caratterizza le utenze residenziali può essere efficacemente gestita con un microcogeneratore sottodimensionato che funzioni costantemente alla potenza nominale (e quindi in condizioni di massimo rendimento), affidando la copertura dei picchi di carico ad una caldaia ausiliaria, il cui dimensionamento deve essere effettuato tenendo in debito conto i periodi di fermo per le operazioni di manutenzione del sistema di cogenerazione. Tra i vantaggi riconosciuti alla cogenerazione ad alto rendimento con potenza fino a 200 kw rientrano la priorità di dispacciamento e lo scambio sul posto come definiti dal D. Lgs. 20/07. Per fruire di tali dispositivi è necessario rispettare i parametri fissati dal D.M. 04 agosto 2011 (cioè risparmio di energia primaria pari o superiore al 10%, calcolato con il nuovo indice P.E.S., Primary Energy Saving), nonché le procedure per il riconoscimento della C.A.R. Cogenerazione ad Alto Rendimento previste dallêart. 8 del D.M. 05 settembre MICROCOGENERATORE CON MOTORE A COMBUSTIONE INTER- NA. EFFICIENZA COMPLESSIVA 85%. POTENZA ELETTRICA MAX. 6,0 KW POTENZA TERMICA 11,7 KW. (AISIN TECNOCA- SA) Tecnologie disponibili Di seguito si riporta una breve analisi delle tecnologie che maggiormente hanno consentito lo sviluppo di prodotti attualmente presenti sul mercato, che rientrano nella definizione di microcogenerazione ed appropriate per la singola utenza residenziale. Denominatore comune nelle tecniche suddette, è il massiccio impiego del gas naturale in quanto: - è il combustibile fossile più pulito; - è diffuso capillarmente su gran parte del territorio nazionale ed in particolare nelle aree metropolitane; - è particolarmente conveniente per i sistemi di microcogenerazione più avanzati. Motori a combustione interna (M.C.I.) Rappresentano la tecnologia più consolidata, perchè caratterizzati da unêampia diffusione in vari settori. 5. COMPARAZIONE QUALITATI- VA DEI RENDIMENTI RELATIVI ALLE TECNOLOGIE IMPIEGATE NELLA MICROCOGENERAZIONE I.R.E = INDICE DI RISPARMIO ENERGETICO. (MACCHI) 28 Impianti Clima - Febbraio N. 2

5 TABELLA 1 CONFRONTO PRESTAZIONI TECNOLOGIE PER MICROCOGENERAZIONE Tecnologia Motori M.C.I. Microturbine a gas Motori Stirling Celle a combustibile Taglie disponibili [kw elettrico] , Rendimento elettrico [%] Rapporto Elettricità/ Calore 1:1,5 1:3 1:1,5 1:3 1:3 1:8 1:1 1:2,5 Costo /kw elettrico (Fonte FIRE) Elementi di debolezza sono rappresentati dai costi di manutenzione veramente elevati, dalla rumorosità di funzionamento, dalle inevitabili vibrazioni e dalla necessità di impiegare sistemi di abbattimento degli inquinanti, per conseguire livelli di emissioni (NOX e CO) confrontabili con quelli delle migliori tecnologie concorrenti. Le prospettive dei M.C.I. sono nettamente migliorate con lêintroduzione dei sistemi ad inverter, che ne permettono il funzionamento cogenerativo a velocità variabile, con un rendimento elettrico pressochè indipendente dalle condizioni di carico. La disponibilità di dispositivi elettronici di controllo a costi relativamente contenuti, ha consentito lo sviluppo di alcuni modelli di M.C.I. di piccolissima taglia (da 1 a 5 kw elettrici), adatti al settore della cogenerazione domestica. Le fonti prevalenti da cui è possibile estrarre energia termica rimangono i gas di scarico (normalmente a temperatura di C) ed il circuito di raffreddamento del motore. In tal modo i M.C.I. si rivelano appropriati allêimpiego cogenerativo nelle abitazioni che, per il riscaldamento ambientale e la produzione di acqua calda, necessitano di acqua calda a C. La prima azienda che ha affrontato la microcogenerazione è stata la Honda, che nel 2003 ha lanciato sul mercato giapponese lêunità Ecowill, basata su un motore a ciclo Otto monocilindrico a quattro tempi, con una cilindrata di 163 cm 3, in grado di funzionare sia a metano che a GPL, garantendo una potenza elettrica di 1 kw. Attualmente i concorrenti 6. BILANCIO ENERGETICO DI UN MOTORE STIRLING Impianti Clima - Febbraio N. 2 si sono moltiplicati e, nellêambito di potenza da 1 a 10 kw elettrici, il mercato offre diverse valide alternative. Motori Stirling Sono motori a ciclo chiuso con combustione esterna, che utilizzano un gas inerte come fluido termodinamico (solitamente aria, azoto, oppure elio nelle versioni ad alto rendimento). Il funzionamento prevede il movimento dei pistoni in seguito allêespansione ed alla contrazione del gas, che scorre alternativamente da un ambiente regolato da un termostato caldo ad uno con termostato freddo, dopo essere passato attraverso un rigeneratore di calore. uno dei più interessanti motori a combustione esterna, essendo caratterizzato da operazioni di manutenzione periodica molto ridotte, da silenziosità di funzionamento, dalla possibilità teorica di raggiungere rendimenti prossimi a quello del ciclo di Carnot operante tra le medesime temperature estreme. Operativamente i rendimenti sono però alquanto inferiori ai valori ideali a causa degli scambi termici non isotermi, della limitata capacità termica del rigeneratore, degli attriti, dei trafilamenti, della non perfetta adiabaticità della macchina. Il recupero termico avviene in percentuale significativa nel circuito dello scambiatore freddo, a cui si aggiunge una ulteriore quota dal raffreddamento dei gas combusti. La massima efficienza energetica si consegue con la produzione di acqua calda non oltre i 60 C. Una caratteristica fondamentale dei motori Stirling consiste nel fatto che il calore viene introdotto attraverso uno scambiatore di calore, alimentato da una camera di combustione esterna; ciò consente di impiegare qualsiasi tipo di combustibile, nonché di sfruttare qualsivoglia sorgente di calore di scarto, purchè ad una temperatura di almeno 250 C 300 C. Conclusioni In tabella si riassumono in termini essenziali le caratteristiche prestazionali, delle soluzioni disponibili sul mercato della microcogenerazione. I dati sono tratti da varie fonti ed i costi sono da ritenersi puramente indicativi. Per completezza di informazione sono riportati anche i dati corrispondenti a due tecnologie, che non sono state prese in considerazione nella presente disamina. W 29