Efficienza energetica

MICRO COGENERAZIONE

 

Che cos'è?
Un motore a combustione interna utilizzato in un edificio per produrre contemporaneamente elettricità e calore.
Il principio è esattamente quello del riscaldamento dell'automobile, che brucia combustibile per muoversi, caricare la batteria e riscaldare l'abitacolo

E' la generazione contemporanea (Co-generazione) di energia elettrica e calore.
Il prefisso micro si riferisce alla potenza elettrica dell'impianto, che non supera i 200-300 kW.
Il principio su cui si basa la cogenerazione è quello di recuperare il calore generato durante la produzione di energia elettrica, altrimenti disperso nell'ambiente, e riutilizzarlo per produrre energia termica.

A cosa serve
Produce energia elettrica più economica di quella che si acquista dalla rete, sfruttando il naturale riscaldamento del motore per sostituire o integrare la caldaia di casa.

E' nata per aumentare l'efficienza nella produzione di energia elettrica, riducendo gli sprechi sotto forma di calore.
La micro-cogenerazione richiede il 30-40% di combustibile in meno rispetto alla generazione separata di energia elettrica e termica, a parità di output prodotto.
Il risultato migliora al crescere della taglia della macchina
.

Confronto tra micro-cogenerazione e generazione separata (rendimenti di riferimento per il confronto con la generazione separata: rendimento elettrico medio delle centrali italiane 38%, rendimento termico stagionale di una caldaia 80%).

 

Il confronto dipende dai rendimenti di riferimento utilizzati per la generazione separata di energia elettrica e termica.
Le migliori centrali elettriche oggi esistenti, i cicli combinati, raggiungono rendimenti del 60%. D'altra parte, è ragionevole pensare che il diffondersi della cogenerazione porti allo smantellamento delle peggiori centrali ancora funzionanti, con rendimenti bassissimi. Una soluzione intermedia è il confronto con l'energia elettrica effettivamente sostituita, utilizzando il rendimento medio delle centrali funzionanti oggi in Italia: 38%.
Come rendimento di riferimento per la produzione separata di energia termica abbiamo utilizzato quello medio stagionale di una caldaia a gas: 80%.

In alcuni casi la micro-cogenerazione è utilizzata in configurazione ad isola, per garantire la continuità della corrente elettrica in caso di black out.

Come funziona
Il motore, in genere alimentato a metano, fornisce energia meccanica ad un generatore, che la trasforma in energia elettrica.
Il calore di scarto, anzichè essere disperso nell'ambiente nei fumi di scarico, viene recuperato ed utilizzato per soddisfare un'utenza termica a bassa temperatura.

Micro-cogeneratore: schema di funzionamento semplificato.

 

In realtà il sistema di recupero termico è composto da tre scambiatori di calore:

uno scambiatore aria-acqua per recuperare il calore dei fumi di scarico (parte più consistente)

  • uno scambiatore acqua-acqua per recuperare il calore del liquido di raffreddamento del motore

  • uno scambiatore olio-acqua per recuperare il calore dell'olio del motore

Quindi la macchina produce acqua calda a diverse temperature, la minore delle quali è di circa 90°C.

Prerequisiti
L'efficienza della macchina viene sfruttata solo quando si utilizza tutto ciò che produce elettricità e calore. Altrimenti conviene spegnerla.
In estate il calore può essere trasformato in freddo.

Per un buono sfruttamento della tecnologia l'utenza presso la quale è installata la macchina deve richiedere, per almeno 3000-4000 ore l'anno, contemporaneamente:

  • calore a media (150°C) e bassa temperatura (max 90°C)

  • elettricità, in quantità pari al rapporto di generazione della macchina (in genere 1/3 di energia elettrica e 2/3 di energia termica)

Quindi le utenze ideali sono industrie, ospedali, alberghi, piscine e serre.
E' in ogni caso necessaria una simulazione numerica per verificare se le ore di utilizzo annue portano ad un vantaggio energetico in grado di ripagare i maggiori costi d'investimento, di gestione e manutenzione rispetto alla generazione separata.

Esistono casi studio di applicazione in condominio, che non presentano difficoltà tecniche, ma normative ed autorizzative: condizione necessaria per l'utilizzo della micro-cogenerazione per tali utenze è la possibilità di scambiare l'energia elettrica autoprodotta e non consumata col proprio distributore (scambio sul posto o puntiforme), utilizzato come una sorta di "banca" dell'energia. In tal modo si potrebbe sopperire alla diversa distribuzione nel tempo di consumi elettrici e termici.
In Italia ciò non è previsto. La micro-cogenerazione è perciò poco diffusa in ambito residenziale, e non vengono ancora proposte le piccolissime taglie.

La macchina può essere utilizzata in modo efficiente anche d'estate abbinata ad una macchina ad assorbimento che trasforma il calore prodotto in freddo (trigenerazione). In questo caso si aumentano le ore di utilizzo, ottenendo tempi di ritorno dell'investimento molto interessanti.

Quanto costa
Il prezzo varia molto in base alla potenza e al modello.
La commercializzazione è molto limitata in Italia e quindi non esiste un prezzo di riferimento di mercato.

Incentivi economici
La cogenerazione è assimilata all'energia rinnovabile ed è ritenuta fondamentale per il raggiungimento degli obiettivi del protocollo di Kyoto. Gode quindi di finanziamenti statali e regionali, del recupero dell'IRPEF del 55% e dell'aliquota IVA al 10%.
Parte del combustibile utilizzato in cogenerazione è defiscalizzato.

Sono previsti incentivi sia sull'investimento iniziale per l'installazione della macchina che per l'energia prodotta. Per l'attribuzione di tali benefici non è sufficiente la produzione contemporanea di elettricità e calore da uno stesso impianto, ma è necessario che gli impianti garantiscano un significativo risparmio di energia (Indice di Risparmio Energetico almeno del 10%) e che producano almeno il 15% di energia termica sul totale prodotto, (delibera AEEG 42 del 2002).


INVESTIMENTO INSTALLAZIONE
Finanziamento del 20 o 30% per la realizzazione di progetti pilota per la promozione della cogenerazione diffusa (Gazzetta Ufficiale N.85 del 13/04/2005). Finanziamenti agevolati e contributi sono periodicamente messi a disposizione da alcune Regioni.
Recupero dell'IRPEF del 41% (confermato per il 2006) nel caso di installazione in edifici esistenti (Legge 23 Dicembre 2005 n. 266).
Aliquota IVA al 10%.

ENERGIA PRODOTTA
La cogenerazione è assimilata alle rinnovabili e quindi gode della priorità di dispacciamento nelle reti, indipendentemente dal merito economico (decreto Bersani, n.79/99): il distributore locale è tenuto a ritirare l'energia immessa in rete.

Micro-cogeneratori di potenza elettrica superiore a 20kW
Sono considerati Officine Elettriche ai sensi del decreto 504 del 1995: è richiesta denuncia all'Ufficio Tecnico di Finanza ed è concessa la vendita dell'energia elettrica prodotta e non autoconsumata.
La bassa remunerazione del kWh elettrico prodotto, stabilita dalla delibera AEEG 34 del 2005, non rende conveniente tale soluzione (prezzo medio sulle varie fasce orarie di circa 6 centesimi), a meno che l'impianto non sia abbastanza grande da permettere un accordo bilaterale a condizioni migliori.
Vengono applicate le imposte (erariale di consumo e addizionali) a tutta l'energia elettrica prodotta, anche se autoconsumata (valore pari a quello che si pagherebbe acquistando l'energia dal distributore locale, ma senza IVA: attualmente 0,0124 ¤/kWh per utenze industriali, 0,02329 ¤/kWh per usi domestici residenti con potenza impegnata superiore a 3kW, 0,0251 ¤/kWh per usi domestici non residenti).
La tariffa del gas metano utilizzato in cogenerazione usufruisce della defiscalizzazione (è esente da imposta di consumo il gas metano utilizzato per la produzione di energia elettrica, nella quota di 0,25 mc/kWh).

Micro-cogeneratori di potenza elettrica non superiore a 20kW
Non sono soggetti all'obbligo di denuncia all'Ufficio Tecnico di Finanza ed al pagamento delle imposte sull'energia autoconsumata (decreto 504 del 1995, Art. 52 - come modificato dalla legge 133/99, Art. 10, comma 8 - e Art. 53).
Nella pratica molti operatori preferiscono non avvalersi di questa agevolazione, poichè la mancata installazione di dispositivi di misura fiscale non permette di godere della defiscalizzazione sul gas metano. Gli impianti vengono quindi denunciati all'Ufficio Tecnico di Finanza e trattati dal punto di vista fiscale come gli impianti al di sopra dei 20kW.

L'estensione dello "scambio sul posto", già previsto per gli impianti alimentati da fonti rinnovabili con potenze inferiori ai 20kW di picco, anche alla micro-cogenerazione garantirebbe implicitamente di vendere l'energia prodotta alla stessa tariffa dell'elettricità acquistata dal distributore locale.

Benefici
Benefici economici
Risparmio sul costo dell'energia elettrica autoprodotta e sulla potenza installata.
In media l'impianto si ripaga in 4-5 anni con un utilizzo di almeno 3000-4000 ore l'anno (autoconsumo 100% energia elettrica prodotta).


L'impianto di cogenerazione richiede un extracosto iniziale e maggiori spese di manutenzione rispetto ad un impianto di riscaldamento. Ogni anno si ha un risparmio sulla bolletta elettrica, sia per l'energia elettrica prodotta che per la minore potenza installata. Il calcolo del ritorno dell'investimento va fatto caso per caso, e dipende da:

  • ore di utilizzo annuo;

  • potenza installata;

  • utilizzo o vendita dell'energia elettrica prodotta;

  • tariffa di acquisto del gas;

  • tariffa di acquisto dell'energia elettrica consumata.


Benefici ambientali
Rispetto alla generazione separata di energia elettrica e termica, la cogenerazione riduce del 30-40% la quantità di combustibile utilizzato, e quindi le emissioni inquinanti
.


Il beneficio ambientale riguarda soprattutto la riduzione dell'emissione di CO2 in atmosfera rispetto alla generazione separata.
Si ha una consistente riduzione anche dell'inquinamento termico causato dal raffreddamento delle grandi centrali termoelettriche. La situazione è un po' diversa per gli agenti inquinanti locali: bruciando meno di combustibile si ha ovviamente minore produzione globale anche di polveri sottili. Ma il decentramento della produzione avvicina l'emissione di queste polveri all'utenza, quindi il risultato è in realtà un lieve aumento delle polveri nelle aree urbane.

Dimensionamento
Il dimensionamento si basa sostanzialmente su calcoli di convenienza economica: per ottenere il ritorno dell'investimento è fondamentale che tutta l'energia prodotta sia valorizzata. Un'analisi accurata dei carichi elettrici e termici dell'utenza e della loro distribuzione nel tempo permette di determinare la potenza utilizzabile per almeno 4000 ore l'anno.

Dal punto di vista energetico, l'impianto andrebbe dimensionato in base all'utenza termica: un eccesso di produzione elettrica potrebbe essere immesso in rete, garantendo l'utilizzo del 100% dell'energia prodotta anche alle utenze che non hanno necessità contemporanea di energia elettrica e termica. La bassa retribuzione del kWh elettrico autoprodotto e la mancata applicazione dello scambio sul posto non rendono conveniente oggi in Italia questa soluzione. Gli impianti vengono quindi dimensionati in modo da garantire l'autoconsumo del 100% dell'energia prodotta per almeno 4000 ore l'anno.

Una potenza termica variabile può essere gestita con un micro-cogeneratore sottodimensionato che funzioni costantemente alla sua massima potenza (dove l'efficienza è maggiore) ed una caldaia ausiliaria che copra i picchi di carico.
Spesso il dimensionamento della caldaia d'integrazione e della fornitura elettrica viene fatto senza tenere conto dell'impianto di cogenerazione, che viene spento per alcuni giorni l'anno per manutenzione.

Esistono nuovi modelli che lavorano in maniera efficiente a varie potenze, inseguendo il carico termico (configurazione termico guida) o elettrico (configurazione elettrico guida) richiesto.

Componenti
Un motore a combustione, un alternatore, un sistema per il recupero del calore ed interconnessioni elettriche concentrati in un solo sistema integrato.

La macchina è composta da:

  • Motore primario: converte il combustibile in energia meccanica.

  • Generatore: converte l'energia meccanica in energia elettrica.

  • Sistema di recupero termico: assorbe l'energia contenuta negli scarichi del motore primario, rendendo disponibile energia termica utilizzabile.

In caso di collegamento alla rete elettrica è necessario installare un dispositivo d'interfaccia di rete omologato Enel, che aumenta il costo di circa 1000 euro.
In ogni caso va prevista una stazione di misura fiscale, per certificare l'energia elettrica autoprodotta.

Durata dell'impianto
Con manutenzione programmata circa ogni 1500 ore di funzionamento, può durare più di 20 anni.
Esistono nuovi modelli che richiedono la manutenzione ogni 10000 ore di funzionamento.

Materiali alternativi
Il motore in genere è alternato a combustione interna, Otto o Diesel. Per le piccole taglie si preferisce il motore Stirling.
Si sta diffondendo l'utilizzo delle microturbine a gas.

Il combustibile più utilizzato è il gas naturale, ma esistono applicazioni con GPL, Gasolio, Biogas ed Olio di colza.

In Inghilterra è in commercio dal 2007 una macchina con motore Stirling, la Whispergen, dedicata alle piccole utenze domestiche:
Potenza elettrica max 1,2 kW
Potenza termica max 8 kW
Rendimento elettrico 12%
Rendimento termico 77%
Costo circa 15.000 €

Altri produttori si stanno affacciando sui mercati internazionali con sperimentazioni in corso:

Baxi Group
Genlec
Worcester - Bosch Group

Utilizzo
Questi sistemi decentralizzati di produzione energetica sono molto semplici da installare e hanno grande flessibilità. Di solito sono consegnati "chiavi in mano" e sono necessari solo gli allacciamenti alla rete idrica, elettrica e ad un serbatoio di combustibile.
E' indispensabile una manutenzione periodica svolta da tecnici competenti, ad intervalli regolari dipendenti dal modello (costo stimato in 0,02 Euro/kWh elettrico prodotto).
E' consigliabile prevedere un piano di manutenzione con la ditta installatrice, che può garantire un controllo locale o remoto tramite modem.

Domande frequenti

La cogenerazione è sempre abbinata al teleriscaldamento?
No. Solo per le grandi taglie, dove non è possibile utilizzare tutto il calore nel luogo in cui viene prodotto. In questo caso la centrale ha lo scopo di produrre energia elettrica ed il calore è un sottoprodotto; per sfruttarlo occorre costruire una costosa rete di teleriscaldamento che lo porti verso le utenze, con una perdita di circa 1°C ogni 10km di rete.
L'idea alla base della micro-cogenerazione diffusa è l'opposto: il micro-cogeneratore sostituisce l'impianto di riscaldamento, cioè produce il calore dove serve, e l'energia elettrica è il "sottoprodotto", che si può utilizzare direttamente e/o riversare in rete senza costi d'investimento, perchè la rete elettrica già esiste.
Il principale ostacolo alla sua diffusione è la difficoltà e l'incertezza dell'iter autorizzativo.

Per fornire un quadro generale sulla cogenerazione, con particolare attenzione alla normativa vigente in Italia, il Gestore Servizi Elettrici (GSE) ha pubblicato la seconda edizione della “Guida al riconoscimento della cogenerazione”.

Che cos'è la trigenerazione?
La trigenerazione implica la produzione contemporanea di energia meccanica (elettricità), calore e freddo utilizzando un solo combustibile.


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