EFFICIENZA E TECNOLOGIE DI RIFERIMENTO

IL CONCETTO DELLA COGENERAZIONE

Col termine cogenerazione si indica la produzione contemporanea di diverse forme di energia secondaria (energia elettrica ed energia termica) partendo da un'unica fonte (sia fossile che rinnovabile) attuata in un unico sistema integrato.



IMPIEGHI DELLA COGENERAZIONE

L'energia termica può essere utilizzata per uso industriale o condizionamento ambientale (riscaldamento, raffreddamento).
La cogenerazione viene realizzata in particolari centrali termoelettriche, dove si recuperano l'acqua calda o il vapore di processo e/o i fumi, prodotti da un motore primo alimentato a combustibile fossile (gas naturale, olio combustibile, biomasse, etc): si ottiene cosÏ un significativo risparmio di energia rispetto alla produzione separata dell'energia elettrica (tramite generazione in centrale elettrica) e dell'energia termica (tramite centrale termica tradizionale).

TIPOLOGIE DI IMPIANTI COGENERATIVI

I nostri impianti hanno come target l'efficienza energetica e la realizzazione di reti integrate (Smart Grid) utilizzando diverse tecnologie efficienti.
Il più comune esempio di impianto cogenerativo è quello realizzato con turbogas/motore alternativo e caldaia a recupero. I fumi della turbogas o del motore alternativo vengono convogliati attraverso un condotto fumi nella caldaia a recupero.
Il recupero può essere semplice, qualora non esista un postbruciatore, o un recupero con postcombustione in caso contrario. I fumi in caldaia permettono di produrre acqua calda, vapore saturo o vapore surriscaldato.
Solitamente si utilizza acqua calda per scopi di riscaldamento, vapore saturo per utenze industriali e vapore surriscaldato per turbine a vapore e utenze.
In definitiva si ha produzione di energia elettrica attraverso l'alternatore accoppiato alla turbogas ed eventualmente attraverso l'alternatore accoppiato alla turbovapore e produzione di energia termica sotto forma di vapore, sfruttato poi dalle utenze connesse.

In presenza di turbovapore si ottiene un ciclo combinato in cui la dispersione energetica è minima e consiste in maggior parte nel calore buttato in atmosfera dai fumi in uscita dalla caldaia a recupero.
Per quanto riguarda il fluido evolvente esso e generalmente l'acqua che generalmente raggiunge in molti casi lo stato di vapore surriscaldato ma in alcuni casi puo assumere temperature non sufficientemente alte e c'è bisogno di scambiatori di calore intermedi per aumentarne la temperatura, più raramente il fluido evolvente e l'aria che presenta pero il difetto di avere un coefficiente di scambio termico convettivo troppo basso e quindi sono richieste superfici di scambio termico ben più elevate.

Per quanto riguarda i motori a combustione interna, una ingente parte del calore (circa il 50%), derivante dal raffreddamento dei cilindri e dell'olio lubrificante, è disponibile a bassa temperatura (anche fino a 90°C), ideale per chi consuma ad esempio acqua sanitaria.

Infine, fluidi evolventi particolarmente usati sono gli olii diatermici derivati dal petrolio, che hanno la caratteristica di mantenersi liquidi a pressione atmosferica fino a temperature di 300°C ed hanno un punto di solidificazione molto inferiore rispetto all'acqua, cosa che impedisce che le condotte gelino.

I VANTAGGI DELLA COGENERAZIONE

In estrema sintesi i vantaggi della microcogenerzione sono:

1. Risparmiare energia primaria, diminuendo i costi energetici
2. Ridotte perdite di distribuzione calore (utilizzato in loco)
3. Zero perdite di distribuzione nell'energia elettrica (riversata direttamente nelle linee a Bassa Tensione)
4. Limitazione delle cadute di tensione sulle linee finali di utenza
5. Limitazione della posa di linee elettriche interrate o tralicci, a parità di risultati
6. Salvaguardare l'ambiente, emettendo in atmosfera meno anidride carbonica

LA TRIGENERAZIONE

La trigenerazione implica la produzione contemporanea di energia meccanica (elettricità), calore e freddo utilizzando un solo combustibile.
Le tradizionali centrali termoelettriche convertono soltanto 1/3 dellíenergia del combustibile in elettricità, il resto, vine perso sotto forma di calore.
Ne consegue l'esigenza di incrementare l'efficienza della produzione elettrica. Un metodo che va in questa direzione è la produzione combinata di calore ed elettricità (C.H.P.) dove più di 4/5 dellíenergia del combustibile è convertita in energia utilizzabile, con benefici sia finanziari che economici.

I SISTEMI DI TRIGENERAZIONE

I sistemi di co-trigenerazione possono essere studiati e prodotti per funzionare con qualsiasi fonte primaria di calore.
Questi sistemi oggi sono tecnicamente maturi ed economicamente convenienti per poter essere adottati diffusamente, tra le molteplici configurazioni possibili citiamo:

1. Sistemi di cogenerazione con combustibili fossili
2. Sistemi di trigenerazione con combustibili fossili
3. Co-trigenerazione con sistemi termosolari
4. Co-trigenerazione con biogas
5. Sistemi ibridi di cogenerazione e trigenerazione

ALCUNE TECNOLOGIE UTILIZZATE

MOTORI ENDOTERMICI



Una larghissima diffusione sul mercato hanno da ormai decenni i motori endotermici a gas naturale, cioè una motore (macchina termodinamica) che bruciando gas naturale (metano) produce coppia motrice allíalbero motore e di qui lavoro meccanico verso un utilizzatore, che sia una pompa, un compressore, o un alternatore per produrre corrente.

Nelle applicazioni cogenerative viene inoltre recuperata parte dell'energia prodotta dal motore (altrimenti dissipata) per fluidi di lavoro (es. olio diatermico, acqua di processo, acqua surriscaldata, etc.). In tal caso l'efficienza del processo è tale, che mediamente la percentuale di energia dissipata nellí ambiente è pari al 1%.

MICROTURBINE A GAS NATURALE



Le microturbine a gas con girante radiale a singolo stadio, di derivazione aerospaziale, in grado di produrre da 50 a 200 KWE, con rendimenti elettrici del 30%, sono da tempo una realt‡ innovativa e imbattibile nel settore della piccola cogenerazione.

Con l'avvento di microturbine di nuova generazione realizzate con materiali ceramici si potranno raggiungere potenze superiori a 300 KWE con rendimenti elettrici sino al 40%.
Le microturbine sono concorrenziali rispetto i motori alternativi a gas naturale grazie a:

1. Ridotte emissioni di CO₂
2. Vibrazioni, rumorosità e ingombri ridottissimi
3. Costi per kilowatts prodotti concorrenziali
4. Ridotta manutenzione e maggiore flessibilità di impiego con combustibili diversi quali biogas, gas naturale, gasolio
5. Garanzie di funzionamento sino a 8.000 ore anno, per un periodo di 10 anni, anche con frequenti interruzioni ed avviamenti.

LE FONTI PRIMARIE UTILIZZATE

1. Gas naturale( metano)
2. Biogas
3. Gasolio
4. Olii vegetali
5. Syngas (gas di pirolisi)
6. Fonti rinnovabili con particolare riferimento alla Biomassa

BIOMASSA



l termine biomassa è stato introdotto per indicare tutti quei materiali di origine organica (vegetale o animale) che non hanno subito alcun processo difossilizzazione e sono utilizzati per la produzione di energia. Pertanto tutti i combustibili fossili (petrolio, carbone, metano, ecc..) non possono essere considerati come biomassa. Le biomasse rientrano fra le fonti rinnovabili in quanto la CO₂ emessa per la produzione di energia non rappresenta un incremento dell'anidride carbonica presente nell'ambiente, ma è la medesima che le piante hanno prima assorbito per svilupparsi e che alla morte di esse tornerebbe nell'atmosfera attraverso i normali processi degradativi della sostanza organica. L'utilizzo delle biomasse quindi accelera il ritorno della CO₂ in atmosfera rendendola nuovamente disponibile alle piante. Sostanzialmente queste emissioni rientrano nel normale ciclo del carbonio e sono in equilibrio fra CO₂ emessa e assorbita. La differenza con i combustibili fossili è pertanto molto profonda: il carbonio immesso in atmosfera è carbonio fissato nel sottosuolo che non rientra più nel ciclo del carbonio, ma nel terreno è fissato stabilmente. In questo caso si va a rilasciare in atmosfera vera e propria "nuova" CO₂. Il termine è utilizzato per descrivere la produzione di energia in impianti appositi: impianti a biomassa. La valorizzazione energetica dei materiali organici contribuisce alla produzione di energia termica e con impianti di medie o grosse dimensioni può produrre anche energia elettrica, contribuendo a limitare le emissioni di anidride carbonica e quindi gli impegni del Protocollo di Kyoto.

Le diverse tipologie

La più antica biomassa utilizzata per la produzione di energia è il legno. Oggi assistiamo all'utilizzo di molteplici prodotti organici per la produzione energetica; alcuni, come la legna, utilizzabili tal quali, altri invece che necessitano di alcuni trattamenti che possono essere semplici o complessi.

Biomassa forestale

Per Biomassa forestale si intende l'insieme dei prodotti di scarto ottenuti dal taglio dei boschi, come i semplici ciocchi di legna, il pellet e il cippato. La biomassa forestale oggi può essere utilizzata per alimentare caldaie ad altissimo rendimento, fino al 90%, rendendola economicamente competitiva con molti combustibili fossili. Queste caldaie forniscono acqua calda per il riscaldamento e per i sanitari. Le tipologie più frequenti sono:

1. Caldaie a tronchetti di legna
2. Caldaie a pellet
3. Termocaminetto ad aria o ad acqua
4. Caldaie a cippato

Impianti a cippato possono essere utilizzati anche per la cogenerazione (produzione di calore ed elettricità), utilizzando diverse tecnologie. Una delle più avanzate sfrutta lagassificazione della sostanza legnosa che può essere abbinata a caldaie anche tradizionali oppure a tecnologie più raffinate come il motore Stirling.

Agroenergie



Con il termine agroenergie si indica quella biomassa coltivata specificatamente per fini energetici. Anche la Biomassa legnosa può essere compresa in questa categoria anche se solitamente ci si riferisce a quei prodotti agricoli coltivati in campo, dalle piante erbacee alle piante arbustive fino ad arrivare a quelle arboree (come ad esempio le piantagioni di pioppi).

Tramite opportuno procedimento è inoltre possibile trasformare le biomasse di qualsiasi natura in BTL (Biomass to liquid), un biodiesel, ottenuto appunto da materiale organico di scarto o prodotto appositamente con colture dedicate. Dalla fermentazione dei vegetali ricchi di zuccheri, come canna da zucchero, barbabietole e mais, spesso prodotti in quantità maggiori al fabbisogno, si può ricavare l'etanolo oalcool etilico, che può essere utilizzato come combustibile per i motori endotermici, in sostituzione della benzina. Dalle oleaginose (quali girasole, colza, soia) si può ricavare per spremitura il cosiddetto biodiesel.

Lo sfruttamento di nessuna di queste fonti può comunque prescindere da valutazioni sull'EROEI complessivo, ossia sul rapporto tra energia ottenuta ed energia impiegata nella produzione.

Ne esistono diversi: il bioetanolo, il biodiesel, il biometanolo, il biodimetiletere, gli idrocarburi sintetici, il bioidrogeno, gli olii vegetali.

Biocombustibili per la produzione di energia elettrica

In alcuni paesi si stanno sperimentando coltivazioni pilotate di vegetali a crescita veloce da utilizzare per produrre energia, ad esempio per alimentare piccole centrali elettrichecome già avviene negli USA, in India e in Giappone.

Fra le sperimentazioni in corso si segnala la coltivazione di alcuni incroci ibridi del Miscanthus Giganteus detto Miscanto, un'erba graminacea alta fino a quattro metri con una notevolissima redditività potenziale (60 tonnellate di materia secca per ettaro, equivalenti a circa 60 barili di petrolio). Secondo le stime dell'Environmental Research Institute del Galles, se il Miscanto venisse piantato sul 10% delle aree coltivabili europee potrebbe fornire fino al 9% dell'energia elettrica consumata dall'intero continente. In Italia le sperimentazioni sul Miscanto vengono condotte dall'ENEA in Sicilia.

Biogas

Oltre ai vegetali coltivati, anche i rifiuti vegetali e liquami di origine animale possono essere sottoposti a digestione o fermentazione anaerobica (cioè in assenza di ossigeno). Labiomassa viene chiusa in un digestore (ad esempio realizzato con la tecnologia UASB) nel quale si sviluppano microorganismi che con la fermentazione dei rifiuti formano il cosiddetto biogas. Dopo trattamento depurativo, questo può essere usato come carburante, combustibile per il riscaldamento e per la produzione di energia elettrica. Anche dai rifiuti raccolti nelle città si può ricavare energia.

Biomassa secca e legna ecologica

Acquisisce sempre più importanza e ogni anno cresce la produzione di legna ecologica e biomassa secca ottenute dallo sfruttamento razionale delle foreste. La biomassa secca e la legna ecologica per dirsi tali devono avere queste caratteristiche:

1. abbattimento di piante già morte senza intaccare alberi vivi
2. biomassa secca, foglie, rametti, scarti lavorazioni agricole, potature di parchi e giardini, metodo del ramo bello annuale
3. sfruttamento razionale delle foreste metodo della matricina per piccole strisce di bosco o 1 pianta ogni 4
4. salvaguardia alberi secolari, generi protetti, boschi storici, habitat, ecosistema
5. lavorazione ecologica (sega a mano, sega elettrica, cippatrice elettrica, accetta, machete, scure)
6. assenza di spese aggiuntive di costi energetici di trasporto via nave e via terra per migliaia di chilometri