GUIDA ALLA COGENERAZIONE NELLE IMPRESE

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COGENERAZIONE

Introduzione

La cogenerazione è una tecnologia consolidata tra le più efficienti per la produzione di energia da consumare nei processi industriali, in tutti gli usi elettrici e per finalità di riscaldamento. Consente di generare in un unico processo energia elettrica e termica, vantando un rendimento, quindi un livello di efficienza, più alto rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia. Abbinando gruppi refrigeranti ad assorbimento, si può inoltre produrre acqua fredda da utilizzare per la climatizzazione estiva, funzionando così in trigenerazione.

In Italia ci sono oltre 1.300 unità cogenerative installate, per un totale di circa 13.300 MW di potenza che produce circa il 17,5% della domanda totale di elettricità. I sistemi cogenerativi sono estremamente flessibili nelle taglie di potenza, consentendo di installarli in molti contesti industriali e commerciali, anche con carichi di potenza elettrica e termica relativamente bassi. In questa guida spieghiamo come funziona la cogenerazione, quali sono i suoi vantaggi e gli incentivi a disposizione, presentando anche casi di successo che hanno installato cogeneratori Viessmann.

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COGENERAZIONE

Come funziona la cogenerazione

Normalmente, la produzione di energia elettrica e termica avviene tramite processi separati, utilizzando centrali termoelettriche e caldaie. In ciascuno di questi processi, parte dell’energia primaria, ossia il combustibile, non è convertita in energia utile ma viene dispersa (nella produzione di elettricità viene sprecato il 45% dell’energia). Con la cogenerazione si produce tramite un unico processo sia energia elettrica che termica, recuperando il calore che altrimenti andrebbe disperso. In questo modo il rendimento complessivo dell’impianto arriva in media all’85% rispetto all’energia primaria immessa, ma può superare il 90%. In pratica, si producono le stesse quantità di elettricità e calore generati con processi separati utilizzando il 30% in meno di combustibile.

Un cogeneratore è composto da tre elementi principali:

  • un motore a combustione interna;
  • un generatore che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica;
  • un sistema di recupero del calore.

Il bilancio energia rappresentato nei grafici sotto, evidenzia la conversione dell'energia primaria (combustibile) in energia utile elettrica e termica, con le perdite derivanti. L'energia utile termica deriva dai gas di scarico, dal tubo collettore, dal blocco motore e dall’olio lubrificante del motore, e viene trasferita al fluido vettore tramite scambiatori di calore. Il parametro che indica l’efficienza di un cogeneratore è il suo rendimento globale: è dato dal rapporto tra la somma dell’energia elettrica e termica prodotte e l’energia primaria utilizzata.

Esempio di bilancio energetico produzione combinata

Esempio di bilancio energetico produzione separata

Esistono diverse tecnologie di generazione primaria, le più diffuse sono:

  • motore a combustione interna;
  • turbine e microturbine a gas con recupero di calore;
  • turbina a vapore;
  • cicli combinati con turbina a gas e turbina a vapore.

Ogni tipologia è caratterizzata da uno specifico rapporto tra potenza elettrica e termica ed è indicata per determinate classi di potenza. La scelta della tecnologia e della dimensione del cogeneratore dipende dalle caratteristiche dell’utenza in termini di fabbisogno termico ed elettrico.

Principali elementi cogeneratore Vitobloc EM-200

Principi di base della cogenerazione

Un motore a combustione interna (a gas) fa funzionare un generatore per la produzione di energia elettrica. Il calore residuo contenuto nell‘acqua da raffredamento e nei gas di scarico viene reso utilizzabile tramite uno scambiatore di calore e messo a disposizione per il circuito di riscaldamento.

A seconda della taglia dell’impianto, la cogenerazione si distingue in:

  • micro cogenerazione (potenza elettrica < 50 kW);
  • piccola cogenerazione (potenza elettrica < 1 MW);
  • cogenerazione (potenza elettrica > 1 MW).

Queste classi sono utili ai fini della possibilità di accesso agli incentivi, come vedremo in seguito.

APPROFONDIMENTO

Tutto quello che c’è da sapere sulla cogenerazione, la tecnologia più efficiente quando c’è un fabbisogno contemporaneo di elettricità e calore: il funzionamento, i vantaggi, gli incentivi.

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COGENERAZIONE

La trigenerazione

Con il termine trigenerazione si intende la generazione combinata di energia elettrica, termica e frigorifera a partire dalla stessa energia primaria. Si tratta di un’estensione della cogenerazione, che si ottiene utilizzando l’energia termica di scarto per produrre acqua fredda tramite gruppi refrigeranti ad assorbimento, che producono energia frigorifera utilizzando come sorgente il calore, anziché elettricità come avviene nelle macchine frigorifere a compressione. 

Nel ciclo frigorifero ad assorbimento la trasformazione dell'energia termica in energia frigorifera si basa su trasformazioni di stato del fluido refrigerante in combinazione con una sostanza assorbente. Le coppie di refrigerante/assorbente usate sono:

  • acqua/bromuro di litio per temperature fino a 4 °C
  • ammoniaca/acqua per temperature più basse (fino a -60 °C).

La trigenerazione è una tecnologia che massimizza il rendimento (e l’investimento) nella cogenerazione, perché permette di sfruttare a pieno regime l’impianto anche nella stagione estiva, per soddisfare le richieste di aria condizionata che si hanno, per esempio, in ospedali, case di cura o alberghi.

Esempio di bilancio energetico con la trigenerazione.

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COGENERAZIONE

I settori di applicazione

Vi sono molti settori nei quali è indicata l’installazione di un cogeneratore: da quelli industriali energivori, alle Pmi, al terziario, al commercio. Grazie alla flessibilità di questa tecnologia e alla gamma di potenze, infatti, è possibile realizzare impianti per esigenze diverse. Unico pre-requisito è che l’utenza sia caratterizzata da un consumo contemporaneo e il più possibile costante di energia termica ed elettrica.

In particolare, la cogenerazione è indicata per questi ambiti:

Industria

industria

 

Alimentare/bevande, chimico, plastica, tessile, ceramica, metallurgia, galvanica, conciaria, e, in generale, tutti i settori con elevati carichi elettrici e termici.

Alberghi

alberghi

 

Caratterizzati da un fabbisogno termico di 4.000-4.500 ore l’anno, 7 giorni su 7, e da un elevato consumo di acqua calda sanitaria; il consumo elettrico normalmente non è elevato, per cui il dimensionamento della macchina va fatto in modo molto accurato.

Piscine

piscine

 

Con un fabbisogno termico elevato e quasi costante lungo l’anno (anche se più elevato in inverno), è un ambito indicato; va valutato bene il dimensionamento del cogeneratore.

Ospedali e RSA

ospedali-rsa

 

Ospedali e case di riposo: caratterizzati da elevati consumi di energia termica e frigorifera, con carichi richiesti 24 ore al giorno per 365 giorni l’anno, carichi elettrici medio alti e costanti, è uno dei casi più interessanti per la cogenerazione.

Teleriscaldamenti

teleriscaldamento

 

Centrali energetiche collegate a reti di teleriscaldamento: in questo caso la cogenerazione è la tecnologia privilegiata, per la caratteristica dello sfruttamento contemporaneo di elettricità e calore.

Terziario/uffici

terziario

 

Con un fabbisogno termico di 2.500-3.000 ore l’anno e un carico elettrico non molto elevato, ma costante in fasce di costo elevato, la cogenerazione è interessante in presenza di trigenerazione.

Centri Commerciali

centri-commerciali

 

Con orari di apertura estesi (14 ore al giorno spesso 7 giorni su 7), sono caratterizzati da elevati carichi elettrici, termici e frigoriferi, rendendo il funzionamento in trigenerazione un investimento con ritorno assicurato.

 

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I vantaggi della cogenerazione

La caratteristica principale della cogenerazione è l’alto livello di efficienza rispetto ad altre tecnologie di produzione dell’energia (come si è visto, può superare il 90%). Questo consente di consumare meno energia primaria, con vantaggi sui costi di approvvigionamento energetico, e di diminuire le emissioni inquinanti a parità di energia prodotta, determinando, quindi, vantaggi ambientali. Qui riassumiamo tutti i vantaggi della cogenerazione.

  • minori consumi energetici: per ogni MWh prodotto in cogenerazione si evita di consumare 0,14-0,15 Tep (Tonnellate equivalenti di petrolio), 160 m3 di gas metano, 130 Kg di gasolio;
  • sostenibilità ambientale: minore consumo di combustibile a parità di effetti utili; per ogni MWh prodotto in cogenerazione si evitano in media 500-600 Kg di CO2, 0,15 Kg di NOx (ossidi di azoto), 15 Kg di SOx (anidride solforosa);
  • maggiore indipendenza energetica rispetto ai fornitori, grazie all’autoconsumo dell’elettricità e del calore.
  • effetto Peack Shaving, ossia la riduzione dei carichi di punta di prelievo dalla rete con relativa diminuzione delle voci di costo in bolletta;
  • possibilità di funzionare in trigenerazione, utilizzando il calore in eccesso per la produzione di energia frigorifera utilizzabile per il condizionamento estivo o per processi industriali;
  • possibilità di  utilizzare fonti energetiche rinnovabili locali (biomasse) invece dei combustibili fossili;
  • utilizzo dei meccanismi di incentivazione dei Certificati Bianchi per la CAR (Cogenerazione ad alto rendimento), accorciando il pay-back time;
  • la generazione di energia distribuita sul territorio evita la costruzione di nuove centrali e linee di trasmissione, riducendo anche le perdite di rete.

È importante sottolineare che, sebbene la cogenerazione sia una tecnologia “in sé” efficiente, perché porti vantaggi economici rilevanti è necessario realizzare uno studio di fattibilità che determini se ci sono le giuste condizioni di fabbisogno termico ed elettrico e il corretto dimensionamento dell’impianto. Lo studio considererà anche tutte le variabili economiche che determinano l’ammortamento dell’investimento, come il costo a cui si acquista l’energia elettrica (più è alto, più è conveniente la cogenerazione). In questo articolo spieghiamo come valutare la convenienza economica di un cogeneratore.

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Il corretto dimensionamento di un cogeneratore

Affinché un cogeneratore funzioni in modo efficiente, è necessario dimensionare in modo corretto la sua potenza. Il dimensionamento può essere tarato:

  • in funzione dell’elettricità generata/consumata;
  • in funzione del calore generato/consumato.

Un cogeneratore dovrebbe lavorare il più possibile a pieno carico per massimizzare il proprio rendimento. Dal punto di vista elettrico, la taglia corretta dell’impianto si avrà quanto la massima quantità possibile di potenza elettrica potrà essere assorbita dall’utenza in tutte le sue ore di funzionamento durante i mesi dell’anno, senza dover cedere energia elettrica in rete. Viceversa, un impianto sottodimensionato costringerà ad acquistare parte dell’energia non ottenendo il massimo risparmio possibile. Un eccesso di energia termica prodotta rispetto alle esigenze di consumo, invece, può determinare una anti-economicità dell’impianto cogenerativo. È quindi consigliabile dimensionare il cogeneratore in modo che abbia anche una potenza termica nominale che possa essere assorbita in modo continuativo dall’utenza. La quantità di energia elettrica non coperta dal cogeneratore andrà acquistata dalla rete, mentre per quella termica eventualmente non prodotta si dovrà ricorrere a caldaie aggiuntive. (Per conoscere come dimensionare in modo corretto un cogeneratore in funzione dei carichi elettrici è disponibile questo articolo).

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Gli incentivi per la cogenerazione

Gli impianti di cogenerazione, se sono di tipo CAR (Cogenerazione ad alto rendimento) possono accedere ai Titoli di Efficienza Energetica (TEE), detti anche Certificati Bianchi. Le unità devono essere nuove oppure rifacimenti di unità in esercizio da almeno dodici anni (ricostruzioni totali oppure con sostituzione di almeno due componenti principali). 

Una unità di cogenerazione, ai sensi del D.Lgs 20/07 integrato dal DM 4 agosto 2011, è ad alto rendimento se la produzione combinata di energia elettrica e termica viene realizzata conseguendo un risparmio di energia primaria (PES, Primary Energy Saving), rispetto alla produzione separata delle stesse quantità di energia elettrica e termica, superiore ai seguenti valori:

  • 10% per le unità di cogenerazione con potenza > 1 MW;
  • qualsiasi valore per le unità di micro e piccola cogenerazione (fino a 1 MW).

 

Per accedere ai TEE è necessario che il funzionamento In CAR sia certificato dal GSE mediante un procedimento chiamato “valutazione a consuntivo” con cui si calcola il PES e i TEE spessanti, in numero proporzionale al PES, secondo un coefficiente che varia in funzione della dimensione dell’impianto. Il valore dei TEE è stabilito su uno specifico mercato gestito dal Gestore dei Servizi Energetici, mentre la durata del periodo di incentivazione è pari a 10 anni (15 per le unità di cogenerazione nuove abbinate a reti di teleriscaldamento).

 

La CAR, inoltre, dà diritto ad altri benefici:

  • accisa agevolata sul combustibile; sono previste accise differenti a seconda dei combustibili impiegati (gas naturale, gasolio, ecc) e dell’utilizzo: per produzione di elettricità, per usi industriali o ad esso assimilati, per usi civili;
  • priorità di dispacciamento dell’energia elettrica prodotta rispetto alla produzione convenzionale;
  • acceso al servizio di Scambio sul Posto (per impianti sotto i 200 kW di potenza);
  • possibilità di essere classificati come Sistemi Semplici di Produzione e Consumo;
  • premio Fer, ossia accesso a tariffe maggiorate le unità di cogenerazione alimentate a biomassa eventualmente abbinate a reti di teleriscaldamento (non cumulabile con i TEE).

 

Nel caso di unità di Micro cogenerazione sotto i 50 kW, sono previsti seguenti vantaggi:

  • detrazione Irpef del 65% per la sostituzione di impianti esistenti se il risparmio di energia primaria è pari almeno al 20% (beneficio riservato a persone fisiche e non cumulabile con i TEE);
  • esenzione dal pagamento dei corrispettivi al GSE per la valutazione delle richieste di riconoscimento CAR.

I Certificati Bianchi per la CAR non sono cumulabili con altri incentivi statali, fatto salvo l’accesso a fondi di garanzia, fondi di rotazione o contributi in conto capitale (ma con soglie limite di capitale finanziato).

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Casi di successo

La dimostrazione della “flessibilità” di applicazione della cogenerazione arriva dai casi di successo di aziende che hanno installato unità di cogenerazione Viessmann.

PROGETTO

Maina Panettoni

gasgas

Cogenerazione

PROGETTO

Maina Panettoni

gasgas

Cogenerazione

Nel campo dell’industria alimentare, Maina Panettoni ha installato una nuova centrale energetica in occasione della realizzazione del nuovo stabilimento produttivo di Fossano (CN). L’obiettivo era quello di abbattere i costi di approvvigionamento, mettendo a disposizione un impianto affidabile, capace di soddisfare il maggior fabbisogno elettrico, di riscaldamento e di produzione di acqua calda e vapore per i processi. Si è così optato per un cogeneratore Viessmann Vitobloc 200-EM 530/660 alimentato a gas abbinato a una caldaia a vapore a recupero di calore Vitomax AHK da 400 kg/h a 6 bar.  Il funzionamento in CAR ha consentito a Maina di fruire dei Certificati Bianchi.

PROGETTO

Grand Hotel Trento

gasgas

Cogenerazione

PROGETTO

Grand Hotel Trento

gasgas

Cogenerazione

La cogenerazione può rivelarsi la tecnologia ottimale anche nel caso della riqualificazione energetica di un hotel. Questo è il caso del Grand Hotel Trento, un imponente edificio costruito tra il 1939 e 1942 in stile razionalista sviluppato su 12 piani che ospitano 136 camere e un centro benessere. Con lo scopo di abbattere i costi gestionali, nel 2015 è stato installato un cogeneratore per la produzione di energia elettrica e termica supportato da una caldaia a gas a condensazione. Il cogeneratore Viessmann Vitobloc 200 EM 70/115 vanta un rendimento medio dell’86% ed è stato dimensionato in modo da soddisfare tutta la richiesta termica e autoprodurre il 90% del fabbisogno elettrico, ottenendo un bilancio positivo di 23.000 euro l’anno.

PROGETTO

Circolo della Stampa - Sporting, Torino

gasgas
solarsolar

Cogenerazione

PROGETTO

Circolo della Stampa - Sporting, Torino

gasgas
solarsolar

Cogenerazione

Un esempio di cogenerazione implementata con successo presso un centro sportivo è quello del Circolo della Stampa - Sporting A.S.D di Torino, è uno dei più prestigiosi circoli sportivi italiani, dotato di una grande piscina (40x50 metri). Qualche anno fa il vecchio impianto termico a olio combustibile è stato riqualificato installando un gruppo di cogenerazione a gas Vitobloc 200 EM-70/115 affiancato da tre caldaie a condensazione Vitocrossal 200 da 300 kW l’una. La produzione di acqua calda sanitaria è stata affidato ai pannelli solari termici piani Vitosol 200-F. La nuova centrale copre l'intero fabbisogno energetico della struttura riducendo i costi di circa 60.000 euro l’anno.

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Le soluzioni Viessmann per la cogenerazione

I cogeneratori a gas Viessmann Vitobloc 200 sono sistemi compatti che includono in uno spazio ridotto un motore, un generatore, un sistema di recupero del calore, un mantello insonorizzato e i sistemi di regolazione. La gamma è molto ampia, adattandosi ad esigenze che vanno dai piccoli condomini alle applicazioni industriali; comprende gruppi ad alta efficienza con potenza dai 6 kW el e 14,9t al modello più grande, che vanta una potenza da 530 kWel e 660 kWt. Oltre ai prodotti standard, Viessmann offre anche prodotti speciali per soddisfare specifiche esigenze.

I cogeneratori Vitobloc sono dotati di tecnologia di condensazione per il recupero del calore dai fumi di scarico, aumentando ulteriormente l’efficienza complessiva del sistema. La condensazione è disponibile di serie per i cogeneratori Vitobloc con potenza <20 kWel e tramite accessorio Vitotrans per i cogeneratori da 50kWelfino a 530 kWel. Quest’ultimo modello arriva a un rendimento complessivo 91,5.

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