Sistemi di cogenerazione: efficienza e applicazioni

La cogenerazione, spesso indicata con l'acronimo CHP (Combined Heat and Power), è una soluzione ingegneristica che permette di produrre simultaneamente energia elettrica e calore a partire da un'unica fonte di combustibile. Questo approccio offre rendimenti complessivi nettamente superiori rispetto alle produzioni separate di elettricità e calore, in quanto sfrutta l'energia termica che verrebbe altrimenti dispersa. Nel contesto attuale, caratterizzato da obiettivi di decarbonizzazione e da costi energetici crescenti, la cogenerazione occupa un ruolo di rilievo, poiché contribuisce a ridurre le emissioni e a ottimizzare i consumi in numerosi settori.

Nel corso degli anni, il quadro normativo ha riconosciuto l'importanza di questa tecnologia, incentivando le installazioni con requisiti di "cogenerazione ad alto rendimento" (CAR). Di conseguenza, molte aziende e realtà produttive hanno intrapreso un processo di ammodernamento dei propri impianti termoelettrici per integrare sistemi cogenerativi. L'obiettivo di questo articolo è fornire una panoramica tecnica sugli impianti di cogenerazione, soffermandosi su principi di funzionamento, efficienza, applicazioni e, in chiusura, sulle soluzioni ORC proposte da Turboden.

Definizione e funzionamento di cogenerazione

Un impianto di cogenerazione si basa sul recupero di calore di scarto generato durante la produzione di elettricità. In un impianto elettrico tradizionale, buona parte del contenuto termico viene disperso nell'ambiente senza alcun utilizzo ulteriore. Al contrario, in un sistema CHP, tale calore residuo viene intercettato tramite scambiatori o caldaie a recupero, per poi essere reimpiegato nel riscaldamento di edifici, nel supporto ai processi industriali o nella generazione di acqua calda sanitaria. A seconda della macchina prime mover (motore a combustione interna, turbina a gas, turbina a vapore o cella a combustibile), variano le condizioni di temperatura e pressione del calore recuperato, così come la potenza erogata in termini elettrici e termici.

La logica termodinamica alla base della cogenerazione sfrutta la seconda legge della termodinamica, che prevede sempre perdite di energia in forma di calore. Ridurre tali dispersioni traducendole in risorse utili incrementa notevolmente l'efficienza globale dell'intero processo. Quindi, il layout impiantistico di un sistema cogenerativo dovrà adattarsi alle esigenze termiche di chi lo utilizza, scegliendo la configurazione che ottimizza il bilancio tra produzione elettrica e calore.

Efficienza

Gli impianti di cogenerazione possono raggiungere rendimenti complessivi (somma del rendimento elettrico e di quello termico) superiori all'80-90%, mentre le classiche centrali elettriche operano spesso tra il 30% e il 40%. Questo risparmio di combustibile si traduce in una minore emissione di CO₂ e in costi operativi ridotti. L'indice di prestazione di un sistema cogenerativo è funzione del rapporto di produzione di calore ed elettricità, nonché della qualità del calore richiesto dall'utenza.

In Italia, il concetto di Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR) viene normato e incentivato: un impianto si qualifica come CAR se rispetta specifici parametri di efficienza secondo metodologie stabilite dal GSE (Gestore dei Servizi Energetici) e dalla legislazione comunitaria. A livello progettuale, la capacità di dimensionare correttamente un impianto alle reali richieste termiche ed elettriche dell'utenza risulta decisiva per evitare sprechi o un sottoutilizzo del sistema.

Tipologie di impianti di cogenerazione

Le tipologie di cogenerazione variano a seconda del combustibile impiegato, dei range di potenza, nonché dei sistemi di conversione:

1. Impianti a gas naturale Diffusissimi per l'alta disponibilità di metano e per il minor impatto ambientale rispetto a combustibili fossili più inquinanti. Utilizzano spesso motori a combustione interna (ciclo Otto) o turbine a gas.
2. Impianti a biomassa Sfruttano residui agricoli o forestali, favorendo un'economia circolare. Richiedono però una filiera di approvvigionamento adeguata e sistemi di combustione idonei.
3. Impianti a biogas Convertono in energia il biogas prodotto dalla digestione anaerobica di rifiuti organici o dai fanghi di depurazione. Ideali per aziende agricole o consorzi di trattamento rifiuti.
4. Impianti a recupero di calore Recuperano energia termica di scarto (waste heat) da processi industriali ad alta temperatura (es. forni di fusione, cementifici, cartiere), trasformando una dispersione in una preziosa risorsa.

Applicazioni

Le applicazioni della cogenerazione sono molteplici:

1. Industriale: grandi complessi metallurgici, industrie chimiche, alimentari o di raffinazione beneficiano di un fabbisogno costante di calore, ottimizzando così il rendimento dell'impianto CHP.
2. Commerciale e terziario: ospedali, hotel, centri commerciali o strutture sportive necessitano di ingenti quantità di acqua calda, riscaldamento/raffrescamento ed elettricità. L'autoproduzione cogenerativa riduce i costi e garantisce stabilità di fornitura.
3. Residenziale e micro-cogenerazione: unità compatte di piccola taglia possono alimentare condomini, abitazioni o piccole strutture commerciali. Ciò permette di contenere le spese energetiche e abbatte le emissioni, soprattutto nelle zone non coperte da reti di teleriscaldamento.

Tecnologie avanzate

Lo sviluppo tecnologico ha portato a soluzioni cogenerative sempre più efficienti e versatili.

Ecco alcune innovazioni rilevanti:

1. Turbine a gas di ultima generazione: progettate per alte temperature e pressurizzazioni spinte, garantiscono rendimenti elettrici elevati, specialmente in assetto di ciclo combinato (con una turbina a vapore abbinata).
2. Motori a combustione interna: offrono flessibilità operativa e buone prestazioni, con la possibilità di modulare la produzione. Spesso alimentati a gas naturale o biogas, raggiungono rendimenti totali sopra l'80%.
3. Celle a combustibile: convertono direttamente l'energia chimica del combustibile in elettricità e calore, evitando processi di combustione convenzionali. Le emissioni risultano estremamente basse, e i rendimenti elettrici potenzialmente molto elevati, specialmente con idrogeno a bassa impronta di carbonio.

Vantaggi della cogenerazione

La cogenerazione assicura numerosi vantaggi in termini di performance ed ecosostenibilità:

1. Riduzione dei costi energetici: produrre internamente energia elettrica e calore limita l'approvvigionamento esterno, diminuendo la spesa legata ai vettori energetici tradizionali.
2. Taglio delle emissioni e rispetto ambientale: la capacità di recuperare calore abbatte la necessità di ulteriore combustione, riducendo le emissioni di CO₂ e di inquinanti nocivi.
3. Sicurezza e stabilità di fornitura: un sistema cogenerativo ben progettato migliora la resilienza dell'impianto, minimizzando i rischi di interruzione di servizio.
4. Integrazione con sistemi rinnovabili: la cogenerazione può cooperare con impianti fotovoltaici, eolici o geotermici riducendo ulteriormente il consumo di fonti fossili.

Integrazione delle soluzioni Turboden

Un esempio di tecnologia avanzata in ambito CHP è rappresentato dai sistemi a Ciclo Organico di Rankine (ORC) proposti da Turboden, parte del gruppo Mitsubishi Heavy Industries. A differenza dei cicli a vapore convenzionali, le soluzioni ORC utilizzano fluidi organici con un punto di ebollizione più basso, permettendo la conversione di calore a temperatura media o bassa in energia elettrica e calore utile. Questa caratteristica risulta particolarmente vantaggiosa quando si tratta di sfruttare calore di scarto industriale o fonti rinnovabili come biomassa e geotermia.

Le soluzioni ORC firmate Turboden offrono notevoli vantaggi:

• Alta adattabilità alle esigenze del cliente, grazie a un'ampia gamma di taglie e configurazioni
• Affidabilità e bassi costi di manutenzione, poiché i fluidi organici lavorano a pressioni e temperature inferiori rispetto al vapore tradizionale
• Riduzione delle emissioni e sfruttamento efficiente di fonti termiche altrimenti disperse

In questo modo, la cogenerazione basata su ORC garantisce elevati rendimenti e risulta idonea a processi industriali di varia natura, producendo sia energia elettrica sia calore in modo altamente performante.

Conclusioni

La cogenerazione rappresenta uno dei metodi più efficaci per ottimizzare l'uso di energia, dal punto di vista sia economico sia ambientale. Grazie alla capacità di recuperare il calore che sarebbe altrimenti disperso, un impianto CHP può raggiungere rendimenti complessivi molto superiori a quelli delle installazioni tradizionali. Tali vantaggi si manifestano in diversi settori, dall'industria pesante alle strutture commerciali e residenziali, con ricadute positive su riduzione dei costi e taglio delle emissioni. L'evoluzione tecnologica, inoltre, consente oggi di integrare la cogenerazione con fonti rinnovabili, sistemi di accumulo e soluzioni avanzate come quelle ORC proposte da Turboden.

In un futuro sempre più orientato verso la transizione energetica, la cogenerazione si conferma un tassello fondamentale per conciliare sostenibilità ed efficienza. Dalla corretta progettazione e dimensionamento degli impianti, passando per l'analisi dei carichi termici ed elettrici, fino alla scelta delle tecnologie più adatte al contesto specifico, ingegneri meccanici ed energetici svolgono un ruolo primario nel disegnare soluzioni su misura, in grado di massimizzare i benefici dal punto di vista ambientale ed economico.