< Previous10 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 10 Per l’energia elettrica, oltre al prelievo dalla rete, è anche possibile orien- tarsi verso una scelta di autoproduzione, dove parte del fabbisogno elettrico può essere efficientemente prodotto presso il luogo di consumo e che può rivelarsi una scelta vincente in molti casi, consentendo all’utente di conseguire risparmi economici ed energetici. Nella situazione poi, molto diffusa, di neces- sitare di energia elettrica e calore, con le tecnologie a disposizione, la scelta di autoprodurre efficientemente energia in situ trova una naturale e logica concretizzazione nella cogenerazione. La cogenerazione è «la generazione simultanea in un unico processo di energia termica ed elettrica o di energia termica e meccanica o di energia termica, elettrica e meccanica» 3 e rispetto alla produzione separata delle due energie consente un sensibile risparmio di energia primaria (combustibile), con molteplici benefici per l’utente e la collettività, in primis riduzione dei con- sumi e delle emissioni inquinanti. Va ricordato che, pur con il crescente contributo delle rinnovabili, una con- sistente frazione dell’energia elettrica consumata in Italia è ancora prodotta in centrali termoelettriche convenzionali. In questi impianti, che pure eccellono in Europa per efficienza, solo una parte dell’energia fornita dal combustibile è convertita in energia elettrica (53,7% 4 sul PCI), mentre la restante è dissipata in ambiente: uno spreco energetico enorme, che la diffusione della cogenera- zione può aiutare a ridurre. L’energia elettrica va inoltre trasmessa e distribuita, con relative perdite di rete. Nel 2020 tali perdite ammontavano a 17,4 TWh, il 5,8 % della richiesta nazionale (310 TWh) 5 di elettricità. Il principio su cui si basa la cogenerazione è concettualmente semplice: collocando la centrale di produzione elettrica in prossimità dell’utilizzatore è possibile recuperare gran parte del calore che diversamente sarebbe disperso in ambiente, evitando inoltre le perdite di trasmissione e trasformazione. Con la cogenerazione si può poi produrre anche energia frigorifera 6 , si parla in questo caso di trigenerazione o poligenerazione. Inoltre, il processo cogenerativo può essere alimentato, in tutto o in parte, con combustibili rinnovabili (es. biogas, biomasse, ecc.) unendo così ai bene- fici dell’efficienza energetica quelli derivanti dall’uso di FER. 3 D.Lgs. 20/2007, articolo 2, lettera a 4 Dato 2017 ISPRA rapporto “Fattori di emissione (…)” 5 Terna, dati statistici generali Terna 2021 6 La produzione di “freddo” è possibile tramite i c.d. gruppi frigoriferi ad assorbimento, ali- mentati da energia termica11 7COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 2. I recuperi termici per generazione di energia elettrica L e soluzioni tecnologiche di recupero del calore di scarto permet- tono di generare energia in maniera efficiente, senza combustione e senza emissioni. I settori industriali ad alta intensità energetica come quelli del ce- mento, del vetro, della produzione di metalli e l’industria petrolchi- mica appartengono al substrato naturale della nostra economia. Ci sono un gran numero di processi industriali che stanno sprecando enormi quantità di prezioso calore che viene semplicemente dissipato nell’atmosfera. Tale calore è un sottoprodotto inevitabile di un processo industriale, può es- sere recuperato e riutilizzato, senza combustione né emissioni, in conformità con gli ambiziosi obiettivi del Green Deal europeo e fornisce un contributo sostanziale agli obiettivi climatici riportati nel regolamento della Taxonomy, oltre che un aumento dell’efficienza nell’uso di energia. Le applicazioni del recupero del calore residuo possono includere: l recupero di calore di scarto da un processo industriale che può essere utilizzato nello stesso impianto o in uno collegato; in alternativa, può essere riutilizzato per la generazione termica necessaria per alimentare il teleriscaldamento, ad esempio attraverso l’uso di una pompa di calore industriale; l recupero di calore di scarto dalle industrie ad alta intensità energetica o dalle stazioni di compressione del gas può anche essere valorizzato per generare energia senza carbonio. È facile trovare esempi in tutta Europa e in Cina, ma stiamo solo grattando la superficie del vero potenziale di questa applicazione. Le tecnologie più comunemente utilizzate per generare energia elettrica dal recupero calore di scarto sono le turbine a ciclo Rankine, cosiddette turbi- ne a vapore e i sistemi Organic Rankine Cycle (ORC).12 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 3.1. Benefici economici: l la cogenerazione ad alto rendimento (CAR) permette di ottenere signi- ficativi risparmi per gli operatori (indicativamente tra il 20% e il 40%), riducendo sensibilmente i costi di approvvigionamento dei vettori ener- getici; l l’eventuale eccedenza di energia elettrica, che potrebbe generarsi du- rante i picchi di richiesta di energia termica 1 , può essere valorizzata eco- nomicamente cedendola in rete. Da questo punto di vista l’evoluzione del mercato elettrico europeo sta oggi offrendo nuove opportunità di business per gli operatori di impianti di cogenerazione; l la cogenerazione è oggi sostenuta tramite diversi incentivi, in particolare lo strumento più diffuso oggi in Italia è rappresentato dai Titoli di Effi- cienza Energetica (noti anche come Certificati Bianchi) per la Cogenera- zione ad alto rendimento (CAR); l la riduzione dei consumi energetici riduce la dipendenza nazionale dalle forniture estere di combustibili fossili, migliorando l’economia nazionale; l la cogenerazione offre un’opportunità in più per diversificare gli impianti di generazione e favorire la concorrenza di mercato. La cogenerazione è uno dei veicoli più importanti per promuovere la liberalizzazione del mercato dell’energia, inoltre crea un aumento dell’occupazione, gene- rando posti di lavoro. 1 Come spiegato oltre avanti, in generale è conveniente far lavorare il cogeneratore in modo da seguire l’andamento del carico termico 3. I benefici della cogenerazione 713 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 13 3. I benefici della cogenerazione 3.2 Benefici energetici: l maggiore efficienza di conversione e utilizzo dell’energia. La cogenera- zione è la forma più efficace ed efficiente di conversione dell’energia per via termoelettrica. Rispetto alla produzione separata di energia elettrica e calore la cogenerazione ha una più alta efficienza, quindi, a pari effetto utile, consuma una minore quantità di combustibile 2 ; l le notevoli economie d’esercizio, ottenibili con la CAR portano più com- petitività agli utenti industriali e commerciali. Per le utenze domestiche la CAR può offrire calore a prezzi più accessibili; l è un’opportunità per passare a forme più decentralizzate di generazione di elettricità, in cui gli impianti sono progettati per soddisfare le esigenze dei consumatori locali, con un’alta efficienza, evitando perdite di trasmis- sione (La vicinanza dei siti di produzione e consumo riduce grandemente le perdite di trasmissione e annulla le perdite di trasformazione.) e aumen- tando la flessibilità dell’uso del sistema, in particolare con il gas naturale; l la generazione distribuita da cogenerazione offre la possibilità di modu- lare la quantità di energia prelevata dalla rete (sia in prelievo, sia in im- missione) consentendo una migliore gestione del sistema elettrico, che evolve da una struttura “top down” a una struttura a maglie, riducendo congestioni e perdite di rete. 3.3 Benefici ambientali: l a pari effetto utile, la maggiore efficienza della cogenerazione consente di bruciare meno combustibile, con conseguente riduzione delle emis- sioni in ambiente, in particolare di CO 2 , il principale gas serra. La coge- nerazione è una delle soluzioni più efficaci per il raggiungimento degli obiettivi dell’accordo di Parigi e uno dei cardini per la transizione a un’e- conomia decarbonizzata; l i moderni impianti di cogenerazione son spesso installati in sostituzione d’impianti obsoleti, che a pari consumo hanno emissioni maggiori; l in abbinamento al TLR la cogenerazione consente di eliminare numerose sorgenti diffuse di inquinanti (es. vecchi impianti di riscaldamento), ad 2 Ai fini del DM 4 ago 2011 è considerato “ad alto rendimento” un impianto che, rispetto alle produzioni separate di calore ed elettricità consegua di anno in anno un risparmio di energia primaria pari ad almeno il 10% se la sua potenza è >1 MW.14 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 14 esempio in contesti urbani, andando a concentrare le emissioni in un unico punto, dove possono più facilmente essere gestite con adeguati sistemi per il loro trattamento. 3.4 Benefici sulla sicurezza/qualità: l maggiore sicurezza locale e globale nell’approvvigionamento di energia elettrica: in caso di interruzione della fornitura dell’energia da rete l’im- pianto di cogenerazione può continuare ad alimentare i carichi più critici; l la cogenerazione, può aiutare a limitare i sovraccarichi delle linee di tra- smissione (peak shaving), garantendo una maggiore affidabilità nella for- nitura del vettore elettrico; l l’impianto di cogenerazione può garantire una elevata “Power Quality” nella fornitura di energia elettrica, andando al limitare i rischi per le uten- ze elettriche più sensibili; l la diminuita richiesta di combustibile derivante dalla cogenerazione ridu- ce la dipendenza dalle importazioni, contribuendo ad affrontare anche a livello politico una sfida chiave per il futuro energetico dell’Europa. I benefici della cogenerazione sono stati riconosciuti a livello europeo già dalla direttiva europea 2004/8/CE, 15 7COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI I processi termodinamici con i quali si può ottenere sia energia termica sia elettrica sono molteplici, così come le fonti di energia primaria utilizzabili. Ogni esigenza richiede un impianto specifico e non esiste una soluzione tecnologica ottimale valida per tutti i casi. Le taglie degli impianti di cogenerazione possono variare da pochi kW elettrici di potenza, ad esempio per applicazioni nel settore residen- ziale su singole abitazioni, alle centinaia di MW elettrici per usi nella grande industria e nelle centrali termoelettriche con teleriscaldamento. La scelta di una tecnologia rispetto a un’altra dipende da valutazioni tec- niche economiche che variano caso per caso e non è possibile generalizzare. Certamente alcune tecnologie si adattano meglio a determinate taglie, com- bustibili (considerando anche le fonti rinnovabili) e profili di funzionamento. I parametri principali da considerare sono l’entità e l’andamento tempo- rale dei carichi (termici, elettrici, frigoriferi), i combustibili a disposizione e le esigenze di continuità dei carichi (ossia sicurezza nella fornitura). Un parametro importante è poi il rapporto tra elettricità e calore richiesti. In linea di massima, le tecnologie disponibili coprono in modo ottimale specifici campi di lavoro riassunti nella Figura 1. 4. Le principali tecnologie di cogenerazione16 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 16 Un’accurata valutazione energetico-economica dei fabbisogni termici ed elettrici delle utenze e una corretta gestione dell’impianto di cogenerazio- ne, sono fondamentali per garantire gli auspicati benefici economici che ci si aspetta con l’installazione impianto di cogenerazione. Certamente, il caso ideale per la cogenerazione è rappresentato da un’u- tenza con richiesta contemporanea e costante dei carichi (termico ed elettri- co), una situazione che si riscontra spesso nell’industria chimica, petrolchimica, metallurgica, dove, infatti, si trovano gli impianti di maggiori dimensioni, in funzionamento continuo a pieno carico. Laddove non vi sia questa condizione, è necessario ricorrere a logiche di gestione diverse, dove le due più comuni sono: l inseguimento del carico termico (termico segue): il cogeneratore eroga la quantità di calore richiesta dalle utenze, eventuali surplus/deficit di potenza elettrica sono ceduti/prelevati dalla rete; l inseguimento del carico elettrico (elettrico segue): il cogeneratore lavora in base alle richieste di potenza elettrica. Eventuali eccedenze di energia termica sono dissipate o stoccate in accumuli termici. Figura 1 - Tecnologie cogenerative e campi d’impiego indicativi. Il diagramma mostra indicativamente i campi d’impiego delle tec- nologie più diffuse oggi sul mercato. Legenda CC Cicli combinati (turbina a gas + turbina a vapore e recupero termico da condensatore e spil- lamenti) TVCDCiclo con turbina a vapore e re- cupero termico da condensatore e spillamenti TV CPCiclo con turbina a vapore a con- tropressione TGTurbina a gas con uso diretto del calore o con produzione di va- pore tramite caldaia a recupero MCI r.gas Motore a combustione interna con recupero del calore dai fumi di scarico MCI r.tot Motore a combustione interna con recupero del calore dai fumi di scarico e dai circuiti di raffred- damento ORCOrganic Rankine Cycle: ciclo di potenza da recupero termico17 7COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI T ra le fonti energetiche che hanno visto nel tempo impieghi cogenerativi si possono citare: l carbone (non più usato in Italia); l petrolio e suoi derivati; l energia nucleare; l gas di cokeria, d’altoforno, gas di raffineria e in generale da processo; l gas naturale (il combustibile più diffuso e comune); l rifiuti urbani e industriali; l biomasse di origine vegetale e animale l bioliquidi, biogas, biometano; l biogas da discarica e trattamento reflui; l calore di scarto (da qualunque processo industriale); l energia solare; l geotermia; l idrogeno. Diversi fattori concorrono a rendere oggi il gas naturale il più diffuso com- bustibile per la cogenerazione (e non solo): l è il combustibile fossile con minor effetto serra, anche in sostituzione di combustibili fossili di maggior impatto ideale come ponte verso un’eco- nomia decarbonizzata; l ha un alto potere calorifico; 5. Fonti energetiche18 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 18 l assenza di elementi estranei inquinanti (metalli pesanti, composti organici, ceneri, ecc.); l nessuna formazione di particolato e inquinanti solforati; l capillare rete di distribuzione a livello europeo; l basso costo; l facilità di utilizzo in un’ampia gamma di tecnologie, dai piani di cottura alle turbine a gas. Tuttavia negli ultimi vent’anni si sono succedute continue applicazioni at- traverso un sempre più diffuso impiego di combustibili bio e ecosostenibili sia naturali sia di sintesi, fino alle recenti applicazioni in blending con idrogeno. Come noto, l’idrogeno giocherà un ruolo importante nel percorso di de- carbonizzazione dell’economia europea al 2050. Il costo dell’idrogeno prodotto tramite elettrolizzatori che utilizzano im- pianti Waste Heat Recovery, come gli Organic Rankine Cycle (ORC), potrebbe essere nell’ordine di 2-3 €/kg. Si tratta di un costo competitivo rispetto ad altri metodi di produzione di idrogeno pulito e rinnovabile. Un altro uso potenziale di produzione di idrogeno è quello di utilizzare l’energia generata dal recupero di calore, considerata carbon-neutral, può gio- care un ruolo importante nella transizione energetica. «Renewable hydrogen can be produced via electrolysis, by using re- newable electricity to split water into hydrogen and oxygen». Secondo la Commissione Europea, il fattore principale per produrre idrogeno “rinnova- bile” è la fonte dell’elettricità che alimenta il processo di elettrolisi. La nuova proposta di emendamento al Renewable Energy Directive (REDIII), presentata il 14 luglio dalla Commissione Europea, stabilisce una soglia di riduzione delle emissioni di gas serra ≥70% per i combustibili rinnovabili di origine non bio- logica (compreso l’idrogeno rinnovabile) per essere conteggiati nelle quote di energia rinnovabile degli Stati membri. L’utilizzo di energia carbon-free generata dal Waste Heat Recovery neces- saria per alimentare un elettrolizzatore è da considerarsi alla stregua di fonti di energia rinnovabili come il solare e l’eolico: non vengono prodotte emissioni aggiuntive di CO 2 . Altrettanto fattore strategico sarà l’uso della rete gas in parallelo con elet- trificazione dei consumi. 19 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 19 5. Fonti energetiche La Cogenerazione da biometano e da RFNBO (Renewable fuel of non-bio- logical origin), parimenti, giocheranno un ruolo determinante anche per le si- nergie con le società municipalizzate. In questo contesto la cogenerazione, grazie alla sua versatilità e varietà tecnologica trova una sua ideale collocazione. La diffusione di un vettore energetico gassoso e rinnovabile, stoccabile economicamente in grandi quantità renderà la cogenerazione una scelta ide- ale: l in ambito residenziale/terziario dove la domanda di energia termica e frigorifera potrà essere soddisfatta senza andare a sovraccaricare la rete elettrica; l in ambito industriale, garantendo efficienza nella produzione di energia termica, sicurezza e programmabilità nella generazione elettrica e bilan- ciamento della rete; l nei settori industriali hard to abate, soprattutto con tecnologie di Waste Heat Recovery. Al fine di dare segno tangibile di alcuni esempi virtuosi di applicazioni virtuose, si ritiene interessante fornire delle evidenze nelle pagine successive. Next >