La microcogenerazione domestica

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1 TECNOLOGIA La microcogenerazione domestica Nonostante rappresenti una delle modalità di produzione dei vettori energetici per usi finali più efficiente, la microcogenerazione domestica è ancora poco considerata. Giacomino Redondi È noto che con il termine di cogenerazione, indicata anche con l acronimo CHP (Combined Heat and Power) si intende la produzione combinata di energia elettrica/meccanica e di energia termica, ottenute a partire dalla medesima energia primaria. È opportuno rammentare che per produrre la sola energia elettrica, si utilizzano generalmente centrali termoelettriche che, per effetto del ciclo termodinamico alla base della conversione dell energia termica in energia meccanica, rilasciano in ambiente una quantità non indifferente di calore a bassa temperatura. Per la generazione della sola energia termica si impiegano normalmente della caldaie, che convertono l energia primaria contenuta nei combustibili, di elevato valore termodinamico, in energia termica di ridotto valore termodinamico. Se dunque un utenza richiede contemporaneamente energia elettrica e termica, anziché installare una caldaia ed acquistare energia elettrica dalla rete, si può pensare di realizzare un ciclo termodinamico per produrre energia elettrica sfruttando i livelli termici più elevati, cedendo il calore residuo a temperatura inferiore per soddisfare le esigenze termiche delle abitazioni. L obiettivo fondamentale che si vuole perseguire con la cogenerazione, consiste nello sfruttare nel modo più completo possibile l energia contenuta nel combustibile, in modo da determinare un minor consumo dello stesso ed un conseguente minor impatto ambientale. I principali vantaggi conseguenti all utilizzo di un impianto cogenerativo in luogo di un sistema per la generazione separata di calore ed energia elettrica si possono riassumere nei termini seguenti: minor consumo di energia primaria grazie alla maggiore efficienza del sistema; con impianti cogenerativi è possibile infatti sfruttare utilmente oltre l 85% dell energia messa a disposizione dell impianto; minori emissioni in atmosfera di gas climalteranti ed altre sostanze inquinanti; riduzione delle perdite per trasmissione, essendo l impianto di cogenerazione di norma ubicato in prossimità dell utente finale, sono minime le perdite per la distribuzione ed il trasporto dell energia. È opportuno evidenziare anche i principali limiti che è indispensabile tener conto in una corretta valutazione applicativa della cogenerazione. VAILLANT 72

2 Il principio della cogenerazione, seppur valido in generale, spesso non può essere applicato in modo economicamente conveniente, se non sono osservati precisi vincoli come: presenza e vicinanza dell utenza termica, al fine limitare la rete di distribuzione del calore; contemporaneità delle utenze termica ed elettrica; compatibilità delle temperature dell energia termica resa disponibile dal sistema cogenerativo, con le esigenze dell utenza. Ottimizzazione applicativa 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 domanda di energia elettrica e termica. Non serve a molto ottenere alti rendimenti complessivi, se poi non si può razionalmente utilizzare tutta l energia 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. La convenienza tecnico-economica di un impianto di cogenerazione non può prescindere da una specifica analisi dei carichi elettrici e termici dell utenza. Tale studio deve valutare le potenze massime richieste, le curve di carico giornaliere, mensili e stagionali, ciò che rende l applicazione di un sistema cogenerativo assolutamente non generalizzabile. Nel settore residenziale, in particolare, i diagrammi di carico termico ed elettrico non sono molto coincidenti nel tempo. L andamento dei prelievi elettrici è infatti caratterizzato da molti picchi di breve durata che, per l impianto 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 Schematizzazione del processo di cogenerazione: dal confronto tra la tecnica cogenerativa e quelle tradizionali, si evidenzia come queste ultime necessitano di 55 unità di energia in più per produrre la medesima energia utile. Tipologia di utenze in ambito civile con indicazione qualitativa dei fabbisogni energetici (Manzolini). ad essere fortemente stagionale, è estremamente variabile in funzione della tipologia di utenza considerata (monofamiliare o condominiale), ed anch essa risulta poco uniforme, tanto da richiedere spesso l adozione 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, l accoppiamento di tali sistemi con un 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 dall inver- 73

3 no all estate, ampliando il concetto di cogenerazione intesa non solo come tecnologia efficiente sede di potenza elettrica e termica, ma anche di potenza frigorifera (trigenerazione). Dal punto di vista energetico l impianto andrebbe dimensionato in base al fabbisogno termico, in modo tale che un eventuale eccesso di produzione elettrica possa essere immesso in rete, garantendo così l impiego del 100% dell energia prodotta anche alle utenze che, spesso, non hanno necessità contemporanea di energia elettrica e 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 dall art. 8 del D.M. 05 settembre Andamento indicativo delle richieste di calore ed elettricità in ambito domestico, secondo due macro-zone geografiche. Le tecnologie Di seguito si riporta una breve descrizione delle tecnologie che maggiormente hanno consentito lo sviluppo di prodotti attualmente presenti sul mercato, dedicati alle utenze residenziali. 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 sistemi di microcogenerazione più avanzati. Interessanti soluzioni con l impiego di biomasse stanno conquistando mercati locali con la disponibilità delle stesse. Motori a combustione interna I motori a combustione interna rappresentano la tecnologia più consolidata, perché caratterizzati da un ampia diffusione in vari settori. Nella cogenerazione vengono impiegati alquanto diffusamente, in quanto hanno raggiunto un elevata affidabilità, rendimenti piuttosto elevati e costi relativamente conte- 74

4 nuti. 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 (NO X e CO) confrontabili con quelli delle migliori tecnologie concorrenti. Le prospettive dei motori a combustione interna sono nettamente migliorate con l introduzione dei sistemi ad inverter, che ne permettono il funzionamento cogenerativo a velocità variabile, con un rendimento elettrico pressoché indipendente dalle condizioni di carico. La disponibilità di dispositivi elettronici di controllo a costi relativamente contenuti, ha consentito lo sviluppo di alcuni modelli di motori a combustione interna di piccolissima taglia Microcogeneratore con motore a combustione interna. Efficienza complessiva 85%. Potenza elettrica max. 6 kw. Potenza termica 11,7 kw. (Aisin Tecnocasa) (da 1 a 5 kw elettrici), adatti al settore della cogenerazione domestica. In questi ultimi apparati non sono convenienti recuperi termici sulla refrigerazione dell olio lubrificante e sulla sovralimentazione (peraltro quasi sempre assente); conseguentemente le fonti 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 motori a combustione interna si adattano all impiego cogenerativo nelle abitazioni che, per il riscaldamento ambientale e la produzione di acqua calda, necessitano di livelli termici non superiori a C. 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 all espansione 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. È 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 un ulteriore quota dal raffreddamento dei gas combusti. La massima efficienza energetica si consegue con la produzione di acqua calda non oltre i 60 C. Sistema di microcogenerazione con motore a combustione interna, che adatta il capostipite Ecowill Honda al mercato europeo. Efficienza complessiva 92%. Potenza elettrica 1,0 kw Potenza termica 2,8 kw. (Vaillant Honda). 75

5 Modello di motore Stirling adottato in sistemi di microcogenerazione domestica: 0,99 kwel 6 kwth. Rendimento complessivo 107% (su Hi) (Viessmann). Monoblocco per microcogenerazione domestica comprendente oltre al motore Stirling, anche una caldaia a condensazione (potenza 6 20 kw) per soddisfare i picchi di carico. (Viessmann). Tabella 1 Confronto prestazioni tecnologie per microcogenerazione (Fonte Fire). Tecnologia Taglie disponibili (kw elettrico) Rendimento elettrico (%) Rapporto elettricità/calore Costo indicativo /kw elettrico Motori a combustione interna :1,5 1: Microturbine a gas :1,5 1: Motori Stirling 0, :3 1: Celle a combustibile :1 1:2, 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, purché ad una temperatura di almeno 250 C 300 C. L assenza di sbalzi di pressione e di temperatura, la mancanza di valvole di alimentazione, unitamente alla peculiarità che le parti in movimento ed il lubrificante non sono a contatto diretto con la sorgente di calore, consentono a questo tipo di motore di mantenere la propria efficienza con ridotti interventi di manutenzione, per ore di funzionamento. Il sistema di combustione esterna, inoltre, consente l impiego di bruciatori per fiamme premiscelate, conseguendo livelli di emissioni nettamente inferiori rispetto ai motori a combustione interna Tutte queste prerogative rendono il motore Stirling particolarmente appropriato per il settore della generazione distribuita, soprattutto per applicazioni cogenerative di piccola scala, con potenza elettrica intorno al kw. I modelli presenti sul mercato, infatti, si limitano a qualche kw di potenza elettrica, con la tendenza ad assemblare il sistema in un package di dimensioni confrontabili con quelle di un ordinario elettrodomestico, ed una rumorosità paragonabile ai moderni frigoriferi. Conclusioni In tabella 1 si riassumono in termini essenziali le caratteristiche prestazionali, delle soluzioni disponibili sul mercato della microcogenerazione. I dati sono tratti da varie fonti (listini produttori, enti di ricerca, ecc.) 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 in quanto: le microturbine a gas, pur avendo una gamma di potenza elettrica che rientra nella definizione di microcogenerazione, al momento non dispongono di un allestimento dedicato alla singola unità residenziale; le celle a combustibile costituiscono una tecnologia molto promettente, ma sono ancora in una fase prototipale o dimostrativa. Un ultimo interrogativo concerne l approssimarsi della data 2020, anno dal quale gli edifici di nuova realizzazione dovranno essere ad energia quasi zero, ovvero dovranno risultare pressoché autonomi dal punto di vista energetico: in tale scenario quale ruolo e quale futuro potranno avere i sistemi di microcogenerazione domestica? RIPRODUZIONE RISERVATA 76