Cogenerazione: come funzionano e quali sono i vantaggi degli impianti di cogenerazione

Indice della guida

1. Cogenerazione: cosa significa

Per cogenerazione o coogenerazione si intende la produzione combinata di energia elettrica e calore. Queste due forme di energia vengono prodotte in cascata, in un unico impianto. I sistemi di cogenerazione vengono anche detti CHP, dall’acronimo inglese Combined Heat and Power.

Tradizionalmente energia elettrica e termica vengono prodotte separatamente. Per produrre l’energia elettrica infatti si utilizzano solitamente centrali termoelettriche che disperdono nell’ambiente energia termica a bassa temperatura, mentre per produrre la sola energia termica si utilizzano le caldaie che convertono l’energia primaria rappresentata dal combustibile, con elevato valore termodinamico, in energia termica di ridotto valore termodinamico.

Se un’utenza richiede contemporaneamente energia elettrica ed energia termica, anziché installare una caldaia e acquistare energia elettrica dalla rete, si può pensare di realizzare un sistema, l’impianto cogenerativo, che produca sia energia elettrica che energia termica. E’ intuitivo come questo sistema possa produrre un risparmio energetico determinato dal minor consumo di combustibile.

Cogenerazione

In foto: impianto cogenerazione Intergen

Gli impianti di cogenerazione nascono infatti dal tentativo di sfruttare il calore disperso da un impianto di produzione di energia elettrica, dispersione che è insita nel processo stesso di generazione di tale energia. L’energia elettrica proviene in genere da impianti motori termici, in cui il calore, attraverso un ciclo termodinamico viene convertito prima in energia meccanica e quindi in energia elettrica attraverso dei generatori elettrici. In questo processo di trasformazione, non tutto il calore può essere trasformato in “lavoro” (secondo principio della termodinamica): una parte deve essere scaricato o dissipato (sottoforma di vapore o fumi di scarico) per consentire il funzionamento stesso del sistema . E’ proprio questa porzione di calore che non viene “sfruttata” ad essere recuperata per la cogenerazione, sia per uso industriale (in genere sottoforma di vapore) o per usi civili (il riscaldamento degli edifici).

Il processo descritto può essere semplificato graficamente come segue:

schema-elettricita

Funzionamento impianto termoelettrico alimentato a combustibile

Grazie alla cogenerazione il procedimento diventa:

schema-cogenerazione

Funzionamento impianto di cogenerazione

È importante sottolineare che non tutto il calore dissipato può essere recuperato. Una porzione viene comunque dispersa anche nel ciclo di produzione combinata. Un impianto può essere definito di “cogenerazione” solo se soddisfa una serie di indici prestazionali definiti dall’Autorità per l’Energia Elettrica (AEEG), introdotti per far sì che sia un effettivo risparmio di combustibile e che la produzione di energia non sia troppo sbilanciata verso la sola energia elettrica.

Foto impianti di cogenerazione Intergen

2. Impianti di Cogenerazione: come funzionano

Sempre in termini semplificati, un impianto di cogenerazione funziona grazie a

  • un “motore primo” (che può essere alimentato in vari modi)
  • un generatore elettrico che, mosso dall’impianto motore, converte l’energia meccanica in elettricità,
  • degli scambiatori di calore, che svolgono la funzione di recupero del calore.

Tutte le tipologie fondamentali di impianti di cogenerazione si differenziano per il tipo di “motore primo” adottato. I più utilizzati e consolidati sono:

  • motori a combustione interna
  • turbine a gas
  • turbine a vapore
  • impianti a ciclo combinato turbina a gas/turbina a vapore

Gli ultimi 2 danno origine a impianti di potenza elevata e vengono quindi usati quasi esclusivamente per applicazioni industriali, mentre i motori a combustione interna e le turbine a gas trovano applicazione sia su impianti di potenza elevata che su sistemi di mini e micro-cogenerazione.

Tipologie di “motore primo” più moderne ma ancora in evoluzione sono:

  • i turbogeneratori ORC
  • le microturbine
  • gli impianti con celle a combustibile (fuel-cells)
  • gli impianti con motori Stirling.

3. Vantaggi della Cogenerazione

Gli impianti di cogenerazione, come si è detto, nascono dall’esigenza di aumentare l’efficienza dei sistemi di generazione di energia elettrica, sfruttando il calore che deve necessariamente essere dissipato dall’impianto per altro uso (industriale o civile).

Il primo vantaggio di un cogeneratore è quindi di ridurre il consumo dell’energia primaria (combustibile), dato che la stessa può essere sfruttata per produrre elettricità e calore. In sostanza si ottiene un miglioramento del rendimento complessivo e quindi una diminuzione dei consumi (dell’ordine del 35% – 40%).

Da ciò deriva un altro vantaggio fondamentale, legato alla salvaguardia dell’ambiente: diminuiscono le emissioni di sostanze inquinanti causate dalla produzione di energia termoelettrica, riducendo quindi l’impatto ambientale della produzione di energia termoelettrica.

Altri vantaggi meno conosciuti sono legati alle caratteristiche specifiche degli impianti di cogenerazione. Questi sono innanzitutto localizzati vicino all’utenza (nella maggior parte dei casi), fattore che riduce le perdite di trasmissione per la distribuzione e il trasporto dell’energia. Inoltre solitamente funzionano in modalità stand alone, minimizzando i rischi di interruzione dell’alimentazione dell’energia dovuti a problematiche di rete.

Infine, elemento non trascurabile, al vantaggio economico derivante da minori consumi di energia primaria, si accompagnano gli incentivi di cui è possibile beneficiare se si investe in un sistema cogenerativo.

Foto impianti cogenerazione Intergen

4. Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR)

Gli impianti di cogenerazione non producono tutti un risparmio energetico della stessa entità.

In questo senso è stata introdotta la definizione di Cogenerazione ad Alto Rendimento, laddove il risparmio di energia primaria superi un valore minimo prestabilito per legge (Direttiva Europea 2004/8/CE e s.m.i.), ovvero:

  • per la piccola cogenerazione (capacità installata inferiore a 1 MWe) e la micro-cogenerazione (capacità massima inferiore ai 50 kWe) è sufficiente che tali sistemi generino un risparmio di energia primaria rispetto alla produzione separata;
  • negli altri casi è necessario che il sistema cogenerativo garantisca un risparmio di energia primaria pari almeno al 10% rispetto ai valori di riferimento per la produzione separata di elettricità e calore.

La Cogenerazione ad Alto rendimento gode di ulteriori incentivi e benefici fiscali.

5. Cogenerazione, Microcogenerazione, Cogenerazione Domestica

La micro-cogenerazione è la cogenerazione su piccola scala; le potenze elettriche vanno dal kilowatt ai megawatt e gli impianti sono destinati all’uso domestico (per questo si parla anche di cogenerazione domestica), residenziale e alle piccole/medie imprese.

Proprio la destinazione d’uso differenzia cogenerazione e microcogenarazione: specialmente nei casi della cogenerazione domestica, la “priorità” viene ribaltata, dato che generalmente lo scopo primario è la produzione di calore mentre quella di elettricità è un sotto-prodotto, spesso anche in surplus rispetto alle necessità, e può essere rivenduta all’azienda elettrica.

Sebbene per molto tempo gli alti costi della tecnologia dei sistemi cogenerativi non incentivassero la diffusione e la crescita del mercato della micro-cogenerazione, da alcuni anni gli sviluppi tecnologici nel campo piccole macchine termiche hanno portato a prestazioni migliori, maggiore efficienza e una riduzione dei costi che fa prefigurare una più larga implementazione di tali sistemi anche per l’utenza domestica.

6. Come vengono alimentati gli impianti di Cogenerazione

In un sistema cogenerativo si possono usare vari tipi di combustibile (energia primaria):

  • di origine fossile (gas naturale, gasolio, olio combustibile, carbone)
  • da rifiuti (solidi o biogas proveniente da discariche o depuratori)
  • da biomasse (cippato legnoso, scarti agricoli e forestali).

Il gas naturale e il biogas sono più adatti per motori a combustione interna e per turbine e microturbine a gas.

Il carbone e le biomasse legnose sono adatti per le grandi turbine a vapore o per i turbogeneratori ORC.

I combustibili liquidi sono indicati anche per i grandi impianti a ciclo combinato o, nel caso dell’idrogeno e delle celle a combustibile, per la “generazione distribuita”.

7. Ambiti di applicazione degli impianti di cogenerazione

Fin dagli anni 70 la cogenerazione è stata utilizzata per migliorare l’efficienza dei sistemi di produzione di energia. Tuttavia gli alti costi ne hanno necessariamente limitato l’uso alle grandi industrie.

Negli ultimi decenni le tecnologie si sono però evolute e perfezionate, e inoltre i costi della produzione di energia sono aumentati, in modo tale da rendere più vantaggiosa la diffusione di sistemi adatti anche alle piccole e medie industrie, in ambito ospedaliero, oltre che in ambito residenziale.

Oggi la cogenerazione trova applicazione sia in ambito industriale, soprattutto come autoproduzione, sia in ambito civile.

L’energia termica (vapore, acqua calda/surriscaldata o aria calda) può essere utilizzata per i processi industriali o in ambito civile per il riscaldamento urbano tramite reti di teleriscaldamento.

L’energia elettrica viene consumata in loco oppure esportata verso la rete di distribuzione.

Le utenze che possono trarre maggiori benefici dalla cogenerazione sono quelle caratterizzate da una domanda costante nel tempo di energia termica ed elettrica:

  • ospedali e cliniche
  • piscine e centri sportivi
  • centri commerciali
  • cartiere
  • industrie alimentari
  • industrie di raffinazione del petrolio
  • industrie chimiche e farmaceutiche
  • industrie della ceramica
  • industria tessile
  • industria per la produzione di materiali plastici

In campo industriale in genere si usano impianti di una fascia di potenza compresa fra 1 MW e 50 MW, o anche maggiore. Si parla quindi di media e grande cogenerazione.

Anche in ambito civile e residenziale è possibile realizzare impianti ad elevata potenza, per esempio nel caso degli ospedali o di grandi impianti urbani in grado di alimentare e riscaldare un’intera cittadina.

Gli impianti al di sotto di 1 MW sono considerati piccola cogenerazione, mentre quelli sotto i 50 kW micro-cogenerazione, e in genere sono applicabili a realtà quali alberghi e hotel, centri residenziali, impianti sportivi, serre, supermercati, oltre che all’utenza domestica.

Foto impianti di cogenerazione Intergen

8. Cogenerazione: quando conviene investire in un impianto di cogenerazione

Cogenerazione non è sempre sinonimo di risparmio energetico ed economico e la scelta se investire o meno in un impianto di cogenerazione e del sistema più adatto si effettua sempre considerando la specifica realtà in cui si vuole implementare il cogeneratore.

In questo senso è fondamentale un’analisi accurata del consumo e del carico elettrico e termico, considerando sia la potenza massima richiesta, le curve di carico giornaliere, mensili e stagionali, effettuando opportune simulazioni di diverse ipotesi impiantistiche per poter valutare fattibilità tecnica, economica, efficienza e rendimento delle varie soluzioni.

Ad esempio ci sono da considerare una serie di problematiche generali:

  • vicinanza fisica dell’utenza termica, ovvero l’utenza che necessita di riscaldamento deve essere in prossimità dell’impianto di cogenerazione
  • la richiesta di energia termica ed elettrica deve essere contemporanea
  • compatibilità delle temperature: non tutti gli impianti cogenerativi rendono disponibile il calore alla medesima temperatura ed è necessario scegliere correttamente il sistema cogenerativo da accoppiare ad una certa utenza
  • flessibilità dell’impianto: pur essendo presenti in maniera contemporanea la domanda di calore ed energia elettrica da parte di una utenza, può accadere che in certi momenti la richiesta di energia elettrica sia proporzionalmente maggiore di quella termica o viceversa
  • la convenienza economica di un progetto di cogenerazione è fortemente influenzata dalle condizioni contrattuali di fornitura e cessione dell’energia, nello specifico dalla possibilità di cedere a prezzi vantaggiosi l’energia elettrica prodotta in surplus e di acquistare il combustibile a condizioni agevolate (ad esempio con una riduzione delle accise).

9. Incentivi e defiscalizzazione in materia di cogenerazione

Oltre al vantaggio economico che può derivare da un minor consumo di energia primaria, chi adotta la cogenerazione può usufruire di una serie di benefici, purché consegua un significativo risparmio di energia primaria rispetto a quella che impiegherebbero impianti per la produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e di calore.

Ovvero l’impianto di cogenerazione deve attestare un Indice di Risparmio Energetico (IRE) e un Limite Termico (LT) superiori ai valori fissati dalla normativa (la Direttiva 2004/8/CE a livello di Unione Europea e il D. Lgs. 20/2007 che la attua in Italia).

Gli incentivi e i vantaggi fiscali si riassumono nei seguenti:

  • priorità nel dispacciamento dell’energia elettrica immessa in rete
  • esenzione dall’obbligo di acquisto dei Certificati Verdi (i titoli annuali emessi dal GSE che attestano che una determinata quantità di energia è stata prodotta a partire da fonti rinnovabili)
  • tariffa onnicomprensiva fissa per la durata di 20 anni per gli impianti di cogenerazione che utilizzano fonti rinnovabili (quali biogas, olio vegetale)
  • defiscalizzazione del combustibile utilizzato, con l’applicazione di un’accisa ridotta.
  • conseguimento di “certificati bianchi” o “titoli di efficienza energetica” (TEE), senza la necessità di acquistarli.

10. Impianti di cogenerazione in Italia: statistiche e diffusione

Oggi la cogenerazione è piuttosto diffusa nel settore industriale, e rappresenta un mercato in crescita.

Invece nel settore residenziale e nel terziario la diffusione degli impianti cogenerativi è ancora ostacolata principalmente da due fattori:

  • la forte stagionalità e imprevedibilità della domanda
  • la ridotta taglia dell’utenza, che non consente l’impiego delle tecnologie più efficienti dalle elevate potenze tipiche (cicli combinati).

Per ovviare al primo limite sarebbe utile procedere verso l’aggregazione della domanda, attraverso l’impiego di reti di distribuzione dell’energia termica, quali le reti di teleriscaldamento.

Per superare il secondo limite invece potrebbe risultare utile passare da un’ottica di “generazione centralizzata” (grandi impianti e costose reti di distribuzione) alla “generazione distribuita” (piccole macchine localizzate presso l’utenza, piccola e micro cogenerazione).

Dalla “RELAZIONE ANNUALE SULLA COGENERAZIONE IN ITALIA ANNO PRODUZIONE 2014” pubblicata nell’aprile 2016 si possono evidenziare alcune caratteristiche del mercato della cogenerazione in Italia:

  • le turbine a gas a ciclo combinato con recupero di calore rappresentano la tecnologia con maggior capacità di generazione elettrica installata
  • i motori a combustione interna risultano la tecnologia maggiormente utilizzata (circa il 90%), mentre le turbine a gas a ciclo combinato costituiscono la seconda tecnologia in numero di unità in esercizio (meno del 10%)
  • rispetto al 2013, si assiste a un incremento del numero di unità (18,7%)
  • la tecnologia dei motori a combustione interna produce circa il 20% del valore totale di energia termica ceduta alle reti, mentre le turbine a gas a ciclo combinato producono circa il 60% della totale energia termica utile ceduta alle reti
  • lo sviluppo del teleriscaldamento ha  riguardato  principalmente  i  grandi  nuclei con un elevato tasso abitativo dove si sono sviluppate reti ad elevata capacità di distribuzione, alimentate da cicli combinati, o in generale da tecnologie di generazione “centralizzata”
  • il gas naturale rappresenta la principale fonte di alimentazione di energia primaria
  • rifiuti sono utilizzati esclusivamente in unità costituite da turbina di condensazione ad estrazione di vapore
  • le fonti rinnovabili (combustibili a base di legno e biomasse di origine agricola), pur rappresentando ancora una percentuale esigua rispetto ai consumi totali, hanno registrato un forte incremento rispetto all’anno 2013
  • la cogenerazione risulta maggiormente diffusa, sia in termini di numero di unità sia di capacità di generazione elettrica installata nella zona “NORD”, mentre i valori maggiori di capacità media sono rilevati nella zona “SUD e ISOLE”
  • in termini di risparmio di energia primaria, le regioni più virtuose risultano essere Piemonte, Lombardia e Puglia
  • la cogenerazione abbinata al teleriscaldamento è presente quasi esclusivamente nelle regioni “NORD”.