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Cogenerazione
La cogenerazione è un sistema efficiente per produrre in maniera combinata elettricità e calore da un unico impianto.
La cogenerazione viene spesso identificata dalla sigla inglese CHP, acronimo di “combined heating and power”.
Il valore aggiunto di un sistema di cogenerazione consiste nella possibilità di produrre elettricità e allo stesso tempo di recuperare quel calore che di solito rimane inutilizzato e viene disperso in atmosfera.
La combustione nella cogenerazione consente tre vantaggi:
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maggiore rendimento della combustione attraverso l’uso di tecnologie più efficienti;
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minore spreco nella distribuzione dell’energia elettrica;
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produzione congiunta di riscaldamento ed elettricità.
Generalmente solo il 40% dell’energia che si libera dalla combustione nei motori viene trasformata in elettricità.
La restante parte per ben il 60% si traduce in calore, ma tale energia termica viene dispersa nell’ambiente senza produrre alcun beneficio.
Rispetto alle centrali elettriche, la cogenerazione si realizza mediante piccoli impianti. In breve si tratta di mini-impianti in grado di generare calore ed elettricità per grandi strutture (es. ospedali, alberghi ecc.) o piccoli centri urbani. La combustione nelle piccole centrali a cogenerazione raggiunge risparmi fino al 40% nell’utilizzo delle fonti primarie di energia.
Lo scopo del processo di cogenerazione è quello di recuperare l’energia termica indotta dalla combustione per produrre elettricità e calore. In questo modo la potenzialità dell’impianto viene sfruttata fino ad oltre il 90%.
Esistono diverse tecnologie di cogenerazione che si basano sul:
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Tipo di macchina
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Motore utilizzato per la produzione di elettricità e calore
Gli impianti per la produzione combinata di energia elettrica e termica (CHP, Combined Heat and Power), massimizzano il coefficiente di utilizzo del combustibile rispetto a soluzioni con impianti separati; la cogenerazione “distribuita” permette di minimizzare le perdite relative alla trasmissione- distribuzione dell’energia prodotta delle tradizionali centrali di grande taglia. Un sistema di cogenerazione implica, quindi, una drastica riduzione dei consumi e delle emissioni inquinanti.
La microcogenerazione viene definita dal D. Lgs. 20/07, come cogenerazione da macchine e impianti di potenza elettrica inferiore ai 50 kWel; essa è destinata al settore residenziale, terziario ed artigianale, attualmente caratterizzati da un grande potenziale di sviluppo in termini di potenza installabile. Tra i vari sistemi di micro cogenerazione (Motori Combustione Interna, Motori Stirling, Microturbine a Gas, cicli Rankine), andremo ad analizzare quelli basati sui cicli Rankine, che sulle basse temperature in ingresso sono tra le soluzioni più promettenti.
PERCHE’ LA COGERAZIONE?
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Negli ultimi anni, il Parlamento Europeo ha riconosciuto la validità della cogenerazione ai fini del raggiungimento degli obiettivi del Protocollo di Kyoto e ha emanato delle normative che promuovono la progressiva diffusione di questo processo.
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cogenerazione un'opportunità di investimento economico particolarmente interessante per gli enti, sia pubblici che privati.
Organic Rankine Cycle
I Micro Cicli Rankine (MRC) funzionano secondo un classico ciclo Rankine e sono maggiormente improntati all’impiego in ambito domestico. Questi impianti, basati sui principi di funzionamento delle classiche caldaie domestiche, funzionano principalmente a gas naturale, garantendo un fattore di utilizzo del combustibile che si aggira attorno al 90%. Attualmente sviluppati per taglie di pochi kW, sono cicli solitamente non recuperati, con espansori volumetrici molto semplici e con calore in ingresso fornito direttamente da una fiamma interfacciata direttamente sui componenti dell’ evaporatore, fornendo un flusso di calore intorno ai 700-800°C. La temperatura di evaporazione del fluido è inferiore e può variare in un ampio campo, a seconda della configurazione del sistema.
Gli impianti Organic Rankine Cycle (ORC) funzionano secondo il medesimo ciclo, con la differenza che il fluido impiegato, invece di essere acqua, è un fluido organico ad elevata massa molecolare, che permette quindi, a parità di lavoro massico, di ridurre le dimensioni e la velocità di rotazione della macchina, consentendo una connessione diretta con l’ alternatore. Il calore è generalmente trasmesso da un fluido vettore che riceve calore dalla sorgente calda e lo cede, in opportuni scambiatori al fluido di lavoro.
Per fonti di calore a bassa e media temperatura, fluidi di lavoro organici offrono vantaggi rispetto l'acqua, utilizzata in sistemi convenzionali a ciclo Rankine, aumentando l'efficienza del ciclo, consentendo di generare più potenza (ORC). Questo è stato dimostrato essere particolarmente promettente per la produzione decentralizzata combinata di calore ed energia
Esempi di fonti calde utilizzate in unità microgenerative in commercio, in grado di produrre circa 3kWelettrici sono: acqua calda da basamenti motore, recupero di gas di scarico di motori, recupero gas di camini, recupero acqua calda da estrusioni - oli caldi, scambiatori di calore di processi industriali (chimici, raffinazione, food, siderurgici), fonti geotermiche a bassa temperatura.
L' interesse crescente per questo tipo di tecnologia è dovuto soprattutto alla duttilità di queste macchine e alla capacità di essere collegata a qualunque fonte primaria di calore (Solare, Biomasse, Caldaie, ecc...) che la rende molto interessante ad essere montata in serie ai sistemi tradizionali per ottenere un Surples elettrico. La fonte di raffreddamento, solitamente acqua, può inoltre essere utilizzata a temperature tra i 40° - 90°C per l'utilizzo sanitario o, nel caso di aria, in impianti di essiccazione.
Diversi produttori si sono affacciati sul mercato dei Micro ORC e una maturazione del mercato porterà in un futuro prossimo ad un abbattimento dei costi di tali sistemi, attualmente ancora elevati, che consentiranno una diffusione di massa e un vantaggio di tipo ambientale e di consumo delle risorse.