Un cogeneratore produce elettricità e calore da un unico combustibile. In questo articolo vediamo cos’è, come funziona nel dettaglio, quali combustibili può utilizzare, quali vantaggi offre alle imprese e in quali settori trova le applicazioni miglior
Cos'è un cogeneratore?
Un cogeneratore è un impianto progettato per produrre simultaneamente energia elettrica e calore, ottimizzando l’uso delle risorse energetiche. Questo processo, noto come cogenerazione, consente di massimizzare l’efficienza energetica riducendo gli sprechi di calore che normalmente verrebbero dispersi nell’ambiente.
In inglese la cogenerazione si chiama Combined Heat and Power (CHP): il termine descrive bene il principio, ossia generare e sfruttare in modo combinato due forme distinte di energia — elettrica e termica — a partire dalla stessa fonte primaria e con un unico impianto, ottenendo un significativo risparmio di energia primaria rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di elettricità e calore.
L’energia elettrica e termica prodotte vengono utilizzate in massima parte dall’utenza dove il cogeneratore è installato; l’eventuale elettricità in eccesso viene ceduta in rete. Grazie alla disponibilità di sistemi di diverse tipologie e potenze, la cogenerazione è utilizzata sia nelle grandi centrali di teleriscaldamento sia nelle industrie, in ambito civile e nel terziario.
Come funziona: i componenti principali
Un impianto di cogenerazione è composto da tre componenti principali, ciascuno con un ruolo specifico:
- Motore primario: trasforma l’energia termica prodotta dalla combustione in energia meccanica.
- Generatore sincrono: trasforma l’energia meccanica in energia elettrica alternata trifase.
- Sistema di recupero del calore (scambiatori): cattura il calore dal circuito di raffreddamento del motore e dai fumi di scarico, trasferendolo a un circuito di riscaldamento tramite un fluido termovettore, nella maggior parte dei casi vapore o acqua calda.
A questi si affiancano altri componenti impiantistici: gli allacci per il gas, le connessioni idrauliche, lo scarico fumi e il quadro di controllo.
Con questo processo di produzione combinata di energia elettrica e calore, la cogenerazione si distingue per la sua efficienza e versatilità, rendendosi adatta sia per grandi impianti industriali che per soluzioni di micro cogenerazione destinate a piccole imprese.
Il bilancio energia rappresentato nei grafici sotto, evidenzia la conversione dell'energia primaria (combustibile) in energia utile elettrica e termica, con le perdite derivanti. L'energia utile termica deriva dai gas di scarico, dal tubo collettore, dal blocco motore e dall’olio lubrificante del motore, e viene trasferita al fluido vettore tramite scambiatori di calore. Il parametro che indica l’efficienza di un cogeneratore è il suo rendimento globale: è dato dal rapporto tra la somma dell’energia elettrica e termica prodotte e l’energia primaria utilizzata.
Tipologie di cogeneratori
Esistono diverse tipologie di cogeneratori, ciascuna progettata per specifiche esigenze energetiche e applicazioni. Ad esempio, i motori a combustione interna sono comunemente utilizzati per produrre energia elettrica ed energia termica per riscaldamento, sfruttando combustibili come il gas metano. Questi sistemi sono particolarmente adatti per piccole e medie imprese che necessitano di una fornitura energetica costante e affidabile.
Le turbine a vapore, invece, sono spesso impiegate in grandi impianti di cogenerazione che utilizzano biomasse legnose o carbone come combustibile. Questi cogeneratori sono capaci di generare elevati livelli di energia elettrica e termica, rendendoli ideali per le industrie che richiedono grandi quantità di energia per i loro processi produttivi.
Infine, i sistemi a celle a combustibile rappresentano una tecnologia emergente nel campo della cogenerazione, utilizzando l’idrogeno per produrre energia in modo estremamente efficiente e con basse emissioni di carbonio. Questi impianti sono particolarmente indicati per applicazioni di generazione distribuita, dove possono fornire energia pulita e sostenibile a comunità e industrie.
Cogenerazione ad alto rendimento
La cogenerazione ad alto rendimento è definita come un sistema che garantisce un risparmio di energia primaria almeno il 10% rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica ed energia termica. Nel caso di unità di piccola cogenerazione (fino a 1 MW elettrico di potenza) e micro-cogenerazione (fino a 50 kW elettrici) un impianto è definito CAR con qualsiasi valore positivo di risparmio. Accedendo ai Certificati bianchi il tempo di ritorno per un impianto di cogenerazione si riduce nettamente.
Gli impianti di cogenerazione ad alto rendimento utilizzano tecnologie avanzate. Tra queste ci sono turbine a gas ad alta efficienza, motori a combustione interna di ultima generazione e celle a combustibile, che migliorano l’efficienza complessiva del processo. Questi sistemi non solo riducono il consumo di combustibili fossili, ma anche le emissioni di gas serra, contribuendo così alla sostenibilità ambientale.
Per incentivare l’adozione di questi impianti, la normativa italiana prevede incentivi fiscali e benefici che rendono economicamente vantaggioso investire nella cogenerazione ad alto rendimento. Questi incentivi possono ridurre significativamente il tempo di ritorno dell’investimento, rendendo più accessibili le tecnologie di cogenerazione per aziende e comunità.
Efficienza e vantaggi economici
Il principale vantaggio della cogenerazione è l’elevata efficienza energetica complessiva, che si attesta generalmente tra l’80% e il 90% (con punte superiori in configurazioni ottimizzate), a seconda della tecnologia e delle condizioni operative. In pratica, un impianto di cogenerazione produce le stesse quantità di elettricità e calore ottenute con processi separati utilizzando circa il 30% in meno di combustibile.
Il minor consumo di energia primaria comporta vantaggi diretti sui costi energetici e riduce i prelievi e le perdite sulla rete elettrica, oltre a portare benefici ambientali grazie alla diminuzione delle emissioni inquinanti a parità di energia prodotta. Le aziende che adottano impianti di cogenerazione beneficiano quindi di costi energetici ridotti e di una maggiore indipendenza energetica.
I vantaggi della cogenerazione per le imprese
La caratteristica principale della cogenerazione è l’alto livello di efficienza rispetto ad altre tecnologie di produzione dell’energia (come si è visto, può giungere al 90%). Questo consente di consumare meno energia primaria, con vantaggi sui costi di approvvigionamento energetico, e di diminuire le emissioni inquinanti a parità di energia prodotta, determinando, quindi, vantaggi ambientali. Qui riassumiamo tutti i vantaggi della cogenerazione.
- minori consumi energetici: per ogni MWh prodotto in cogenerazione si evita di consumare 0,14-0,15 Tep (Tonnellate equivalenti di petrolio), 160 m3 di gas metano, 130 Kg di gasolio;
- sostenibilità ambientale: minore consumo di combustibile a parità di effetti utili; per ogni MWh prodotto in cogenerazione si evitano in media 500-600 Kg di CO2, 0,15 Kg di NOx (ossidi di azoto), 15 Kg di SOx (anidride solforosa);
- maggiore indipendenza energetica rispetto ai fornitori, grazie all’autoconsumo dell’elettricità e del calore.
- effetto Peack Shaving, ossia la riduzione dei carichi di punta di prelievo dalla rete con relativa diminuzione delle voci di costo in bolletta;
- possibilità di funzionare in trigenerazione, utilizzando il calore in eccesso per la produzione di energia frigorifera utilizzabile per il condizionamento estivo o per processi industriali;
- possibilità di utilizzare fonti energetiche rinnovabili locali (biomasse) invece dei combustibili fossili;
- utilizzo dei meccanismi di incentivazione dei Certificati Bianchi per la CAR (Cogenerazione ad alto rendimento), accorciando il pay-back time;
- la generazione di energia distribuita sul territorio evita la costruzione di nuove centrali e linee di trasmissione, riducendo anche le perdite di rete.
È importante sottolineare che, sebbene la cogenerazione sia una tecnologia efficiente, perché porti vantaggi economici rilevanti è necessario realizzare uno studio di fattibilità che determini se ci sono le giuste condizioni di fabbisogno termico ed elettrico e il corretto dimensionamento dell’impianto di cogenerazione. Lo studio considererà anche tutte le variabili economiche che determinano l’ammortamento dell’investimento, come il costo di acquisto dell’energia elettrica (più è alto, più è conveniente la cogenerazione).
Esempio di distribuzione della domanda di energia durante l'anno
Applicazioni pratiche dei cogeneratori
I cogeneratori trovano applicazione in una vasta gamma di settori, grazie alla loro efficienza e versatilità. Nel settore industriale, sono utilizzati per fornire energia elettrica e calore necessari ai processi produttivi, migliorando l’efficienza complessiva e riducendo i costi operativi. Ad esempio, nelle industrie chimiche e farmaceutiche, la cogenerazione può ridurre significativamente i costi energetici.
In ambito commerciale, gli impianti di cogenerazione a gas naturale sono sempre più comuni in centri commerciali e alberghi, dove possono soddisfare la continua domanda energetica e ridurre le spese operative. Anche gli ospedali utilizzano cogeneratori per garantire una fornitura affidabile di energia elettrica e calore, migliorando l’efficienza operativa e la sostenibilità.
Infine, nel settore residenziale, la cogenerazione è utilizzata in impianti di teleriscaldamento per servire interi quartieri o complessi abitativi, fornendo una soluzione energetica efficiente e sostenibile. La produzione locale di energia tramite cogenerazione allevia il carico sulla rete elettrica centrale elettrica, migliorandone la stabilità e riducendo i costi di trasmissione.
Combustibili per cogeneratori
I cogeneratori possono utilizzare una varietà di combustibili per generare energia elettrica e calore. Il gas naturale è uno dei combustibili più comuni, grazie alla sua disponibilità e al basso impatto ambientale. Le turbine a gas, ad esempio, sfruttano il calore residuo dei gas di scarico per generare energia elettrica, rendendo questi impianti altamente efficienti.
Il biogas è un’altra opzione sostenibile che può alimentare motori a combustione interna e turbine a gas. Questo combustibile rinnovabile è particolarmente adatto per impianti di cogenerazione in aree agricole o industriali, dove i rifiuti organici possono essere convertiti in energia.
Le biomasse e i combustibili liquidi sono utilizzati in impianti più grandi, come le turbine a vapore, che possono sfruttare il calore di scarto per generare energia elettrica. La scelta del combustibile appropriato è fondamentale per ottimizzare l’efficienza e ridurre le emissioni dei cogeneratori.
Micro cogenerazione
La micro cogenerazione si riferisce a sistemi di piccole dimensioni che producono simultaneamente elettricità e calore, con una potenza inferiore ai 50 kW. Questi impianti sono particolarmente adatti per piccole/medie imprese, offrendo un’alternativa efficiente e sostenibile ai tradizionali fonti generatori di energia.
I vantaggi della micro cogenerazione includono una maggiore efficienza energetica, la riduzione delle emissioni e significativi risparmi economici. Questi sistemi possono utilizzare una varietà di combustibili, tra cui combustibili fossili, biomasse e biogas, adattandosi alle specifiche esigenze energetiche.
Differenze tra cogenerazione e trigenerazione
La trigenerazione, o CCHP (Combined Cooling, Heat, and Power), rappresenta un’evoluzione della cogenerazione che aggiunge la produzione di energia frigorifera alla generazione di elettricità ed energia termica.
L'energia termica di scarto viene recuperata per generare energia frigorifera attraverso gruppi refrigeranti ad assorbimento, che sfruttano il calore come sorgente invece dell'elettricità, a differenza delle tradizionali macchine frigorifere a compressione.Nel ciclo frigorifero ad assorbimento la trasformazione dell'energia termica in energia frigorifera si basa su trasformazioni di stato del fluido refrigerante in combinazione con una sostanza assorbente. Le coppie di refrigerante/assorbente usate sono:
- acqua/bromuro di litio per temperature fino a 4 °C
- ammoniaca/acqua per temperature più basse (fino a -60 °C).
Impianto di trigenerazione presso la sede Viessmann italia
La trigenerazione è una tecnologia che massimizza il rendimento (e l’investimento) nella cogenerazione, perché permette di sfruttare a pieno regime l’impianto anche nella stagione estiva, per soddisfare le richieste di aria condizionata che si hanno, per esempio, in ospedali, case di cura o alberghi.
Esempio di bilancio energetico per la trigenerazione
Costi e incentivi per l'installazione di un cogeneratore
Il costo di un impianto di cogenerazione può variare notevolmente in base alla dimensione, alla tecnologia e alla potenza installata. L’installazione di un cogeneratore richiede un investimento iniziale significativo, ma i risparmi energetici e i benefici fiscali possono ridurre il periodo di recupero dell’investimento a 4-6 anni.
La normativa italiana prevede incentivi fiscali e strumenti finanziari per promuovere l’adozione di sistemi di cogenerazione energetico.
Gli incentivi statali possono ridurre il tempo di ritorno dell’investimento per un cogeneratore a circa 3-4 anni, rendendo queste soluzioni energetiche ancora più accessibili e convenienti per le aziende e le comunità. Per beneficiare degli incentivi, è necessario rispettare specifici valori normativi di efficienza energetica e risparmio.
Esempio flussi di cassa per installazione di un impianto di cogenerazione
Sommario
Abbiamo esplorato il mondo della cogenerazione, una tecnologia che combina la produzione di energia elettrica e termica per massimizzare l’efficienza energetica e ridurre l’impatto ambientale. Abbiamo visto come i cogeneratori funzionano, le varie tipologie disponibili e i numerosi vantaggi che offrono. La cogenerazione ad alto rendimento, in particolare, rappresenta un significativo passo avanti verso la sostenibilità, grazie alla sua elevata efficienza e agli incentivi disponibili.
Le applicazioni pratiche dei cogeneratori sono molteplici, spaziando dall’industria al settore residenziale, dimostrando la versatilità e l’efficacia di questi impianti. La possibilità di utilizzare diversi combustibili, inclusi quelli rinnovabili come il biogas, rende la cogenerazione una soluzione flessibile e adattabile a diverse esigenze energetiche.
In conclusione, la cogenerazione rappresenta una soluzione promettente per affrontare le sfide energetiche del futuro, offrendo significativi risparmi economici e benefici ambientali. Che tu sia un’azienda alla ricerca di ridurre i costi operativi o un individuo interessato a soluzioni energetiche sostenibili, la cogenerazione merita sicuramente la tua attenzione.
Domande Frequenti:
Che cos'è un cogeneratore?
Un cogeneratore è un impianto che genera contemporaneamente energia elettrica e calore, ottimizzando l'efficienza energetica e minimizzando gli sprechi di combustibile.
Quali sono i principali vantaggi della cogenerazione?
I principali vantaggi della cogenerazione comprendono un'efficienza energetica superiore, significativi risparmi economici, una riduzione delle emissioni di CO₂ e una maggiore sostenibilità ambientale. Ciò la rende una scelta vantaggiosa per aziende e comunità.
Quali tipologie di combustibili possono essere utilizzati nei cogeneratori?
I cogeneratori possono impiegare diverse tipologie di combustibili, tra cui gas naturale, biogas, carbone, biomasse e combustibili liquidi. Questa versatilità consente di ottimizzare la produzione di energia in base alla disponibilità e alle esigenze specifiche.
Qual è la differenza tra cogenerazione e trigenerazione?
Quali incentivi sono disponibili per l'installazione di un cogeneratore?
Per l'installazione di un cogeneratore, sono disponibili incentivi fiscali e strumenti finanziari che possono coprire parte del costo per i micro cogeneratori ad alto rendimento, riducendo notevolmente il tempo di ritorno dell'investimento.
