di  -  lunedì 14 giugno 2010

Proseguendo lungo la strada tracciata con gli ultimi post, l’argomento di quest’oggi non può che essere la Cogenerazione, ovvero la produzione combinata di Energia Elettrica (o Meccanica) ed Energia Termica da un unico impianto.

La cogenerazione presenta alcuni aspetti in comune, almeno in certe implementazioni più “raffinate”, con gli Impianti a Ciclo Combinato oggetto di un precedente post, ed andremo ora ad esaminarne in maniera introduttiva caratteristiche e qualità, per poi riprendere in un successivo post il tema della cogenerazione estendendolo e parlare di Trigenerazione.

COGENERAZIONE – LE MOTIVAZIONI

Le motivazioni per la pratica della cogenerazione possono essere le più svariate, ma alla base risiede sempre la necessità di disporre per le proprie attività di energia meccanica od elettrica da una parte, ed energia termica sotto forma di vapore per usi tecnologici, od acqua calda per usi quali il riscaldamento degli edifici ad esempio.

Tradizionalmente si provvederebbe ad acquistare l’energia elettrica dalla rete (prodotta pertanto al rendimento elettrico medio della rete) ed a produrre l’energia termica mediante caldaie apposite, i cui rendimenti si possono attestare su valori piuttosto elevati (90%).

Per quanto illustrato in diversi precedenti post, i processi di produzione di energia elettrica disperdono sempre una certa quantità di calore inutilizzato nella conversione chimico/termica – meccanica/elettrica, e viene spontaneo chiedersi se tale calore possa venire recuperato per altri impieghi, portando con tale recupero anche un miglioramento del rendimento globale del processo di conversione in quanto si riducono le perdite di energia.

Da tale idea nasce la Cogenerazione, ovvero come già detto, la produzione combinata di energia meccanica/elettrica e termica.

COGENERAZIONE – LE TIPOLOGIE DI IMPIANTO

Il principio della cogenerazione si può applicare a tutti gli impianti termoelettrici esaminati, ovvero Impianti a Vapore, Impianti di Turbina a Gas ed Impianti a Ciclo Combinato (che sono come già mostrato in precedenza degli Impianti di Turbina a Gas con in cascata un Impianto a Vapore).

La cogenerazione negli Impianti a Vapore si può effettuare in due modi, il primo consiste nello spillamento di vapore in turbina, mentre il secondo consiste nel far condensare il vapore dopo l’espansione in turbina non nel normale condensatore, bensì in uno scambiatore di calore collegato alle utenze termiche.

Con il primo metodo, definito a “spillamento“, si sottrae vapore dalla turbina e pertanto si ha una riduzione proporzionale della potenza elettrica, mentre con il secondo metodo, definito a “contropressione” si interferisce con la condensazione del vapore riducendo l’espansione in turbina, con anche in questo caso riduzione della potenza elettrica.

Senza entrare in discorsi sul rendimento di tali soluzioni, risulta evidente come la cogenerazione negli Impianti  a Vapore rappresenti di certo una condizione non ottimale per tale processo.

La cogenerazione negli Impianti di Turbina a Gas prevede l’impiego di uno scambiatore di calore gas/acqua (per molti aspetti comune al Generatore di Vapore a Recupero GVR degli Impianti a Ciclo Combinato) che provvede a recuperare il calore residuo contenuto nei gas di scarico della turbina e pertanto non influenza la produzione di potenza elettrica.

Uno schema indicativo di tale soluzione è il seguente:

La cogenerazione può venire eseguita anche sugli Impianti a Ciclo Combinato sfruttando le tecniche tipiche degli Impianti a Vapore, ma anche recuperando parte del calore dai gas di scarico della turbina a gas o gestendo in maniera flessibile la parte di impianto dedicata al recupero del calore dalla turbina a gas.

Una via ulteriore consiste nell’impiego di motori a combustione interna, in quanto in essi circa il 60% dell’energia del combustibile viene perduta sotto forma di calore sotto varie forme (olio lubrificante, circuito di raffreddamento, ecc.) ed il recupero di tale energia permette di ottenere una efficienza complessiva molto elevata:

Da un punto di vista ambientale la cogenerazione risulta una soluzione importante da perseguire laddove si necessiti congiuntamente di queste due forme di energia, ma al di là dell’ambito industriale, la cogenerazione trova scarsa diffusione a causa di differenti motivazioni quali i costi da sostenere per la realizzazione degli impianti ad uso civile, la difficoltà di integrazione con le soluzioni esistenti sia in termini di impianti tecnici che di reti di trasmissione dell’energia.

Di tali questioni e di molto altro parleremo lunedì prossimo, con particolare riferimento alla micro cogenerazione ed alla trigenerazione, sempre sulla rubrica Energia e Futuro, sempre su AppuntiDigitali.

7 Commenti »

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  • # 1
    arkanoid
     scrive: 

    Bel post introduttivo.
    Ai tempi dell’università sviluppai la tesi presso Cirio dove studiai la fattibilità di un impianto di congenerazione a servizio di uno stabilimento di lavorazione del pomodoro ed i risultati furno soprendentemente positivi, con un tempo di rientro dell’investimento di pochi anni. Lì il caso era comunque fortunato, perchè potendo lavorare secondo una logica \termico segue\ su un impianto in funzione 24 ore al giorno per circa tre mesi consecutivi si riusciva anche con una piccola turbogas a produrre quelle (vado a memoria) 15 t/h di vapore che servono al processo e contemporaneamente si andava a lavorare sull’assorbimento elettrico dello stabilimento che era per buona parte coperto.
    Nell’ambito trigenerazione ho visto solo gli impianti di Malpensa che non so come sia a livello di ottimizzazione dei rendimenti, per quella che è la mia esperienza sui frigoriferi ad assorbimento, che sono una via obbligata nel caso di trigenerazione, sono macchine un po’ così e hanno senso in limitatissimi ambiti di impiego. Se qualcuno ha esempi concreti di impianti trigenerativi con buoni rendimenti complessivi e senza rogne sono ben lieto di confrontarmi.

  • # 2
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ arkanoid

    I cicli frigoriferi ad assorbimento stanno ricevendo molto interesse recentemente proprio per via dell’impiego in trigenerazione, ma di fatto non presentano le stesse prestazioni dei cicli frigoriferi tradizionali… che però devono sempre richiedere energia elettrica… diciamo che in un ambito di impiego che prevede la cogenerazione per usi termico sanitari, la pratica della trigenerazione è ottima perché anche se non presenta lo stesso COP di un impianto di climatizzazione equivalente, permette di recuperare il calore che in estate verrebbe a questo punto sprecato non servendo più un grande ammontare di calore (il riscaldamento dubito lo accendano in estate)… purtroppo la microtrigenerazione presenta ancora qualche problema di redditività, ma la situazione sta migliorando.

  • # 3
    Notturnia
     scrive: 

    la generazione del freddo è una fregatura con la cogenerazione.. (economicamente parlando..) ma la cogenerazione di per se non è male.. anche se sorgono problemi di altro tipo..
    Per alcuni clienti gestisco degli impianti di cogenerazione e devo dire che la percentuale di insuccessi è tutto sommato più alta di quello che ci si aspetterebbe.. ma questo dipende anche dalle taglie.. 400-1400 kVA di alternatore.. da 400 kW a 5600 kW generati.. a seconda del caso..

    in generale l’idea di usare l’acqua calda per i cicli produttivi (o il varope) è vincente.. purtroppo a volte la realizzazione tecnica e la gestione successiva fanno lievitare i costi e rendono l’oggetto più antipatico che economico.. ormai li gestisco (i più vecchi) dal ’93) e ho visto come vanno a finire le cose..

    differente il discorso per quelli a vapore e le turbine.. ma sono altre taglie..

    piccola curiosità.. Edison nasce da Montedison (come molti sapranno..) e di fatto per la Montediscon è stato quasi un incidente di percorso.. per i loro cicli produttivi necessitavano di molto vapore.. e la soluzione migliore erano le turbine per poter generare molto vapore alla pressione e temperatura giusta.. il resto.. l’energia elettrica.. era uno “scarto” pregiato.. mentre di norma avviene l’opposto.. che sia l’acqua e il vapore ad essere lo scarto..
    Con il tempo si sono modificati i rapporti fra i reparti che producevano i composti chimici con quelli che facevano vapore/energia e alla fine i vecch impianti a cogenerazione sono stati trasformati in sistemi a ciclo combinato privilegiando l’energia elettrica al vapore.. e di li Edison.. etc etc…

    E non è l’unico caso..

  • # 4
    arkanoid
     scrive: 

    Un grosso problema dei cicli ad assorbimento è il maggiore quantitativo di acqua di condensazione che richiedono a pari potenza rispetto ad un ciclo a compressione, in particolare i grossi frigoriferi centrifughi hanno EER elevati e permettono quindi di usare torri un po’ più piccole.
    Visto che difficilmente impianti con potenze da qualche MW in su si riescono a condensare ad aria (e comunque mai con gli assorbitori) questo è un problemone.

  • # 5
    lucaredit
     scrive: 

    Quoto NOTTURNIA in toto. Sebbena la cogenerazione sia stata di gran moda in questi anni ritengo a gran torto per via dei reali costi/benefici certamente sfavorevoli le vere motivazioni non sono certo legate a quelle ambientali. Chi è del settore sa perfettamente cosa voglio intendere:
    la maggiorparte ha investito nel settore grazie agli incentivi d’oro CIP6, contributi regionali ecc. I comuni vi hanno visto la rimonopolizzazione delle municipali del gas (ovvero visto che il gas devo liberalizzarlo ti faccio il teleriscaldamento così mi sistemo per i prossimi 20 anni…)
    E soprattutto il problema sempre trascurato, a causa di quella schiera di professoroni che davano sempre troppo risalto al progetto e molto poco alla maintenance , riguarda la corretta valorizzazione delle spese di manutenzione reale rispetto a quelle ipotizzate nei vari piani industriali (sempre troppo basse…)
    Il teleriscaldamento per uso cittadino è quanto di più abominevole e controproducente vi possa essere quando realizzato bruciado gas da cogeneratori presi ad hoc (e non nel caso di inceneritori e centrali turbogas) ovvero nella maggior parte dei casi delle recenti realizzazioni.

  • # 6
    Francesco
     scrive: 

    Ci sono pompe di calore che bruciando metano producono energia meccanica per i compressori (ciclo inverso a compressione di vapore)e col calore recuperato garantiscono prestazioni ottimali a basse temperature e acqua calda sanitaria. Sono in sintesi l’abbinamento di un cogeneratore ad una pompa di calore nello stesso pakage.

    Produttori AISIN Toyota – Sanyo – Yanmar

    Gli assorbitori hanno spesso rendimenti ridicoli un ciclo a singolo stadio in ammoniaca (Robur) ha una efficienza in raffreddamento dello 0,7 circa riferita all’ energia meccanica una GHP a compressione di vapore arriva col recupero del sanitario a 1,8 senza a 1,2 (per fare confronti con sistemi elettrici bisognerebbe moltiplicare questi valori per il rendimento di centrale, circa 2,8)

  • # 7
    arkanoid
     scrive: 

    Certo i singolo stadio non sono nemmeno da prendere in considerazione. Concordo anche che il tele realizzato con il metano (come a RE per intenderci) non abbia senso (ai tempi dell’università il Macchi mi fece una testa così tra CIP6, certificati verdi e bianchi etc), almeno adesso la cogenerazione non è più assimilata alle rinnovabili se non prodotta con cascami.
    E poi voglio vedere tra 15-20 anni in che stato sono le reti.
    In italia non sappiamo manutenere un acquedotto di polietilene, non immagino a lungo termine cosa succeda ad una rete di surriscaldata.
    Anche le pompe di cui parli, Francesco, sebbene non le abbia mai usate, penso che soffrano dello stesso inconveniente di tuti i cogeneratori, ovvero il “co”. Determinati tipi di utenze che sono “tagliati” su misura per i cogeneratori esistono, tipicamente impianti con un fabbisogno termico a medio-alta temperatura costante e possibilità di usare sempre l’energia elettrica. Ma quanti sono? Per non parlare dell’acqua calda sanitaria. Se uno dimensiona secondo la 9182 senza usare un po’ di raziocinio saltano fuori consumi talmente esagerati che tornano buone soluzioni che però all’atto pratico sono esuberanti e vanno in dissipazione quasi sempre. Idem per il freddo. Se c’è una richiesta tutto l’anno, va bene, diversamente sei fregato.
    Usare frigoriferi centrifughi inverter ti permette di avere delle rese stagionali dell’ordine di 5-5.5, far funzionare dei chiller ad assorbimento che sono modulabili come anche no è troppo sfavorevole.

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