Per effettuare il dimensionamento del cogeneratore è necessario disporre dei dati di consumo orari di un interno anno, per fare in modo che l’elettricità sia auto-consumata e non ci siano periodi in cui si è costretti a cederla in rete. Ecco i casi di un hotel, di un ospedale e di un edificio adibito a uffici.
Introduzione alla cogenerazione
La cogenerazione è un processo che combina la produzione di energia elettrica e calore in un unico impianto, offrendo numerosi vantaggi in termini di efficienza energetica e riduzione dei consumi. Questo sistema permette di sfruttare al massimo l’energia prodotta, riducendo gli sprechi e ottimizzando l’utilizzo delle risorse. In termini pratici, la cogenerazione consente di risparmiare combustibile e di ridurre le emissioni di gas serra, contribuendo così a un ambiente più sostenibile. In questo articolo, esploreremo l’importanza del dimensionamento corretto degli impianti di cogenerazione e i benefici che ne derivano, fornendo delle linee guida per le aziende che desiderano implementare questa tecnologia.
Vantaggi della cogenerazione
Il vantaggio della cogenerazione è quello di fornire a un'impresa energia elettrica e termica autoprodotte mediante unico processo, con un notevole risparmio energetico. Con la cogenerazione, infatti, si sfrutta il calore generato con la produzione di elettricità per usi di riscaldamento o per processi produttivi, consumando circa il 30% di combustibile in meno rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia. Una condizione fondamentale per poter sfruttare al meglio i benefici di un impianto di cogenerazione è che l'azienda abbia un fabbisogno contemporaneo di elettricità e calore.
Ma per fare un investimento corretto servono altre valutazioni
Per esempio: come si individua la taglia corretta di un cogeneratore per le proprie necessità? Si tratta di un aspetto fondamentale, perché da questo dipende il ritorno economico dell'investimento nei tempi previsti.
Importanza del dimensionamento corretto
Il dimensionamento corretto degli impianti di cogenerazione è fondamentale per garantire il funzionamento efficiente e la massimizzazione dei benefici. Un impianto di cogenerazione ben dimensionato può ridurre i consumi di energia e i costi operativi, migliorare la sicurezza e l’affidabilità, e aumentare la produzione di energia elettrica e calore.
Inoltre, un dimensionamento corretto può aiutare a ridurre l’impatto ambientale degli impianti di cogenerazione, minimizzando le emissioni di gas serra e altri inquinanti. Un impianto sovradimensionato potrebbe produrre energia in eccesso, non sempre autoconsumabile, mentre un impianto sottodimensionato potrebbe non soddisfare completamente il fabbisogno energetico dell’azienda, riducendo così i potenziali risparmi e benefici.
Dimensionamento del cogeneratore
La valutazione corretta del dimensionamento di un cogeneratore si compie sulla base dei profili di carico elettrici dell'azienda analizzati lungo tutte le 8760 ore di un anno (e non sul picco massimo di richiesta elettrica richiesta magari solo per alcuni brevi periodi!). Lo scopo è massimizzare l'autoconsumo e ridurre al minimo - possibilmente azzerare - la cessione in rete dell'elettricità, che è poco remunerativa rispetto ai suoi costi di produzione.
Possono esserci situazioni in cui prevalgono altre valutazioni, per esempio se un'azienda è caratterizzata da consumi termici particolarmente rilevanti e consumi elettrici più contenuti, ma si tratta di approcci che si adottano in casi particolari.
Un buon progettista di impianti industriali che effettua uno studio di fattibilità per l'installazione di un cogeneratore dovrà effettuare un'analisi dettagliata seguendo questo approccio per individuare il cogeneratore più efficiente in funzione dell'autoconsumo. Vediamo come funziona.
Studio di fattibilità
Uno studio di fattibilità è un’analisi preliminare che valuta la possibilità di implementare un impianto di cogenerazione in un determinato sito. Lo studio di fattibilità prende in considerazione fattori come la disponibilità di combustibile, la domanda di energia elettrica e calore, la presenza di infrastrutture esistenti e la normativa locale.
Questo processo è essenziale per determinare se l’installazione di un impianto di cogenerazione è tecnicamente ed economicamente vantaggiosa per l’azienda. Un’analisi accurata permette di identificare le opportunità e le sfide, garantendo che l’investimento sia ben ponderato e che l’impianto possa operare in maniera efficiente e sostenibile.
Analisi preliminare
L’analisi preliminare è il primo passo nello studio di fattibilità di un impianto di cogenerazione. In questa fase, vengono raccolti dati e informazioni sulla domanda di energia elettrica e calore, sulla disponibilità di combustibile e sulla presenza di infrastrutture esistenti. L’analisi preliminare aiuta a identificare le opportunità e le sfide associate all’implementazione di un impianto di cogenerazione e a determinare se il progetto è fattibile.
I dati raccolti durante l’analisi preliminare includono la quantità di energia elettrica e calore richiesta, la tipologia di combustibile disponibile, la presenza di sistemi di distribuzione esistenti e la normativa locale vigente.
Questi dati sono essenziali per valutare la fattibilità del progetto e per determinare la taglia e la potenza dell’impianto di cogenerazione necessario. Inoltre, l’analisi preliminare aiuta a identificare i possibili vantaggi e svantaggi dell’impianto di cogenerazione, come ad esempio la riduzione dei consumi di energia, la minimizzazione delle emissioni di gas serra e la creazione di posti di lavoro.
Come si ottengono i profili di carico elettrici
Innanzitutto, bisogna procurarsi i dati relativi agli assorbimenti elettrici orari per un intero anno, in modo da ottenere un quadro della situazione che comprenda le variazioni stagionali.
Se un'azienda non dispone di un sistema di monitoraggio dei consumi, è necessario richiedere al fornitore di energia elettrica gli assorbimenti orari legati al proprio POD.
Disponendo dei valori a intervalli temporali ancora più brevi, per esempio ogni quarto d'ora, la valutazione potrà essere ancora più precisa.
Una volta raccolti i dati sui consumi, si definiscono dei punti di riferimento a intervalli regolari (per esempio in trentili), da zero al picco massimo di assorbimento elettrico annuale, determinato per ogni punto di riferimento il numero di ore nelle quali il sito ha assorbito quella determinata potenza e ricavando, quindi, un grafico che disegna l'andamento dei profili di carico.
A questo punto ci si domanda: ipotizzando un funzionamento di 6.000 ore l'anno (un utilizzo tipico, ma può variare), qual è la taglia del cogeneratore in kW elettrici che consente di soddisfare la percentuale di energia maggiore, senza produrre elettricità in eccesso che non potrebbe essere auto-consumata?
Per rispondere a questa domanda caliamoci nella realtà e ipotizziamo il dimensionamento corretto di un cogeneratore per tre ambiti (uffici, ospedali e hotel) caratterizzati da profili di carico elettrico differenti.
Applicazione pratica: edificio adibito ad Uffici
Nel caso di un edificio adibito ad uffici, l'assorbimento elettrico è vicino ai livelli massimi per un numero di ore relativamente contenuto (il fabbisogno va dal 100% al 50% dopo meno di 1.000 ore) e scende abbastanza bruscamente dopo le 2.000 ore fino ad arrivare al 10% del picco a partire dalle 6.000 ore in poi.
Gli uffici, infatti, viaggiano a pieno regime per 8/10 ore per circa 200 giorni l'anno, ma non consumano energia di notte, durante i weekend e nelle chiusure aziendali.
La taglia corretta del cogeneratore, in questo caso, sarà quella che soddisfa il 10% del fabbisogno massimo (ad esempio 20 kWe su un picco di 200 kWe).
Lo stock di energia elettrica fornito dal cogeneratore è evidenziato nel grafico nell'area grigia, mentre per il restante numero di ore (zone bianche sotto la curva), l'energia dovrà essere acquistata dalla rete.
La velocità di ritorno dell'investimento in questo caso sarà inferiore rispetto ad altri contesti, perché i cogeneratori di taglia più piccola hanno un rapporto costo/kW elettrici prodotti più alto rispetto a macchine di taglia più grande.
Scegliendo cogeneratore più grande, tuttavia (ad esempio se la potenza fosse “tagliata” sul 50% del fabbisogno massimo) produrrebbe elettricità in eccesso da cedere in rete già dopo 1.000 ore di funzionamento.
Applicazione pratica: Ospedale/Rsa
In un'azienda ospedaliera o in una Rsa, dove l'elettricità è richiesta 24 ore al giorno per 365 giorni l'anno, il fabbisogno è più costante e il profilo degli assorbimenti elettrici scende meno rapidamente.
Considerando sempre un funzionamento per 6.000 ore l'anno, la potenza corretta del cogeneratore sarà in questo caso quella che corrisponde al 22% del fabbisogno a elettrico.
Scegliendo un cogeneratore che soddisfa il 40% del fabbisogno massimo, il sistema funzionerebbe producendo energia in autoconsumo senza cessione in rete per circa 4.000 ore, e per tutte le ore restanti bisognerebbe acquistare elettricità dal fornitore.
Applicazione pratica: Hotel
In un hotel, infine, gli assorbimenti elettrici sono caratterizzati da un andamento intermedio tra un edificio adibito a uffici e un ospedale.
Durante l'alta o la media stagione, i consumi sono ai massimi livelli per molte ore al giorno, ma le chiusure periodiche della struttura, per esempio in primavera, determinano consumi sotto il 55% del picco massimo già a partire dalle 1.000 ore in poi e spesso dopo le 6.000 ore gli assorbimenti decrescono molto rapidamente (a meno che non si tratti di strutture che lavorano tutto l'anno).
Il grafico ci indica che la taglia corretta del cogeneratore sarà quella che corrisponde a circa il 25% del fabbisogno massimo: per esempio, 50 kW a fronte di un fabbisogno di picco di 200 kW.
Domande frequenti
Che cos'è la curva di carico elettrico e perché è il punto di partenza per dimensionare un cogeneratore?
La curva di carico è la rappresentazione grafica dei consumi elettrici dell'azienda campionati a intervalli regolari (solitamente ogni quarto d'ora) nell'arco di un intero anno. Analizzare questo profilo è indispensabile per identificare il carico di base (baseload), ovvero il consumo minimo costante dello stabilimento, ed evitare di sovradimensionare l'impianto, scenario che ne ridurrebbe drasticamente l'efficienza economica.
È preferibile dimensionare un impianto di cogenerazione sul carico elettrico di picco o sul carico di base?
La regola d'oro nella cogenerazione industriale è dimensionare la macchina sul carico di base (o leggermente al di sopra) e non sui picchi di consumo. Un cogeneratore dimensionato sul baseload lavora al massimo rendimento per un numero elevato di ore all'anno (oltre 5.000-6.000 ore), riducendo i tempi di ammortamento, mentre i picchi di richiesta elettrica continuano a essere gestiti attingendo dalla rete nazionale.
Come si utilizza la curva di durata dei carichi (curva di Mononobe) nella scelta della taglia della macchina?
La curva di durata riordina i consumi orari annuali in ordine decrescente, mostrando chiaramente per quante ore all'anno lo stabilimento richiede una determinata potenza elettrica. Questo strumento permette al progettista HVAC ed energetico di individuare graficamente il punto di ottimo in cui la potenza nominale del cogeneratore interseca il maggior numero di ore di funzionamento possibile, massimizzando il risparmio economico complessivo.
Cosa succede se il profilo di carico termico aziendale non è sincronizzato con quello elettrico?
Se la richiesta di calore o vapore non coincide temporalmente con il consumo elettrico, l'efficienza globale del sistema CAR (Cogenerazione ad Alto Rendimento) rischia di crollare a causa della dissipazione termica forzata. Per ovviare a questa asincronia e stabilizzare il funzionamento del motore, si integra nel progetto un sistema di accumulo termico (polmone d'acqua calda), che immagazzina il calore nei momenti di bassa richiesta termica per rilasciarlo quando il processo produttivo lo richiede.
