Impianti di Cogenerazione

Dall’olio vegetale all’energia Elettrica

Produzione di elettricità e calore attraverso sistemi di cogenerazione con motori endotermici per lo sviluppo di scenari economicamente ed ambientalmente sostenibili sul territorio.

Cogenerazione un business  nel rispetto del pianeta terra

La Cogenerazione

Col termine cogenerazione si indica la produzione ed il consumo contemporaneo di diverse forme di energia secondaria (energia elettrica e/o meccanica ed energia termica) partendo da un'unica fonte (sia fossile che rinnovabile) attuata in un unico sistema integrato. Un esempio

Un esempio è dato dal funzionamento di un'automobile, la potenza prelevata dall'albero motore è usata per la trazione e la produzione di elettricità, il calore sottratto ai cilindri per il riscaldamento dell'abitacolo e la pressione dei gas di scarico per muovere la turbina di sovralimentazione. Lo sfruttamento di calore e pressione non comporta un aumento dei consumi poiché sono scarti del processo di conversione da energia chimica ad energia meccanica attuato dal motore.
Il loro sfruttamento consente a parità di energia primaria immessa (il combustibile) una maggiore quantità di energia secondaria prodotta (movimento, calore). Un sistema che opera la cogenerazione è detto cogeneratore.
Uno dei primi esempi di diffusione della cogenerazione su piccola scala in Italia è stato il TOTEM realizzato nel 1973 dall'ing. Palazzetti, del Centro Ricerche FIAT.

Impieghi della cogenerazione

L'energia termica può essere utilizzata per uso industriale o condizionamento ambientale (riscaldamento, raffreddamento).
La cogenerazione viene realizzata in particolari centrali termoelettriche, dove si recuperano l'acqua calda od il  vapore di processo e/o i fumi, prodotti da un motore primo alimentato a combustibile fossile (gas naturale, olio combustibile, biomasse, ed altro): si ottiene così un significativo risparmio di energia rispetto alla produzione separata dell'energia elettrica (tramite generazione in centrale elettrica) e dell'energia termica (tramite centrale termica tradizionale).
Un particolare campo dei sistemi di cogenerazione è quello della trigenerazione.

Definizione di efficienza

L'efficienza può essere espressa in diversi modi, che non sempre portano ad un corretto confronto tra i vari impianti. Si illustrano allora le definizioni adottate dall'Environmental Protection                                 
Agency (EPA). L'efficienza di un processo semplice è il rapporto tra energia conservata, al termine del processo, ed energia immessa. Dato che i sistemi di cogenerazione producono sia elettricità, sia calore, la loro efficienza totale è data dalla somma dell'efficienza elettrica e dell'efficienza termica. Per
esempio un impianto che utilizza 100 MWh di metano per produrre 40 MWh elettrici e 40 MWh termici ha un'efficienza elettrica e termica del 40% ed un'efficienza globale dell'80%. L'EPA usa preferibilmente un'altra definizione di efficienza nota come «efficacia nell'utilizzazione di combustibile», rapporto tra l'uscita elettrica netta ed il consumo di combustibile netto (che non tiene conto del combustibile usato per produrre energia termica utilizzabile, calcolato assumendo un'efficienza specifica della caldaia dell'80%). Il reciproco di questo rapporto è la quantità netta di calore. Esistono anche altri indici di valutazione delle prestazioni di un impianto cogenerativo: il primo tra tutti è il cosiddetto IRE, indice di risparmio energetico. Tale indice è definito come il rapporto tra la differenza di potenze introdotte negli impianti singoli per la produzione di energia elettrica e termica separatamente, meno quella introdotta nell'impianto cogenerativo, fratto la potenza introdotta negli impianti separati essendo questa potenza valutata in termini di combustibile a parità di potenza elettrica e termica prodotta dai rispettivi impianti. Tale indice da l'idea di quanta energia possa essere risparmiata con tali impianti; è possibile tramite semplici calcoli analitici dimostrare che tale indice è dipendente dai rendimenti di riferimento dei singoli impianti definiti questi ultimi come i rapporti rispettivi tra la potenza elettrica su potenza introdotta e potenza termica su potenza introdotta. Altri indici importanti sono l'indice elettrico definito come il rapporto tra la potenza elettrica prodotta e la potenza introdotta nell'impianto cogenerativo, il coefficiente di utilizzo inteso come somma dei rapporti tra la potenza elettrica e la potenza introdotta e la potenza termica e quella introdotta. Tutti questi coefficienti sono però relativi ad un determinato istante intervenendo in essi le potenze, e per questo tali indici sono utili a determinare i valori di targa dell'impianto vale a dire i valori di massime prestazioni di impianto.
Molto spesso conviene riferirsi ad un periodo di tempo finito e valutare gli indici in tale periodo: ciò equivale a valutare gli indici in termini di rapporti energetici più che di potenze, tali valutazioni sono importanti perché permettono di stabilire dove è più conveniente realizzare un dato progetto di impianto cogenerativo, in funzione dei consumi energetici che in tali zone si ottengono.
Infine, l'indice di risparmio economico che è definito come il rapporto tra i costi che si avrebbero comprando energia dall'esterno meno i costi che si hanno comprando combustibile per alimentare l'impianto cogenerativo che si vuole costruire e che produce un'uguale quantità di energia che si vuol comprare, fratto il costo dell'energia che si vuol comprare. Tale indice permette di valutare la convenienza economica che un simile progetto comporta, naturalmente una corretta e completa valutazione economica implica un calcolo di spese per il mantenimento dell'impianto e relativi investimenti.

L’efficienza energetica della cogenerazione

La cogenerazione è una tecnologia che consente di incrementare l'efficienza energetica complessiva di un sistema di conversione di energia. Ma per spiegarne il motivo occorre analizzare i rendimenti.
Il coefficiente di rendimento è caratteristico per ogni tipo di motore e rappresenta il rapporto tra la resa energetica che ne deriva ed il combustibile introdotto. Nel motore di una automobile indica il rapporto tra i chilometri percorsi e la quantità di idrocarburi introdotti; nei grandi motori per la produzione di energia elettrica il coefficiente indica il rapporto tra chilowattora prodotti e il combustibile consumato.
Questi rapporti sono caratteristici per ogni tipo di motore. Ad esempio i motori di auto a benzina presentano rendimenti che oscillano tra il 20 ed il 30 per cento; auto con motori diesel tra il 25 ed il 35 per cento, il restante diventa calore disperso. I grandi motori hanno un'efficienza maggiore e, pur generalizzando molto, si può affermare che per i motori termoelettrici, il coefficiente di rendimento è discretamente alto e può raggiungere un 55%. Ma il medesimo motore quando produce in cogenerazione presenta coefficienti che raggiungono l'85%, perché il potere calorifero del combustibile è utilizzato al meglio, con un'effettiva ottimizzazione dei processi.
Naturalmente gli investimenti per adattare i motori di una centrale termoelettrica alla cogenerazione sono notevoli, ma qualora sia possibile creare una rete di teleriscaldamento, i risultati sono sempre vantaggiosi. Va considerato infatti il periodo di utilizzo di queste macchine, che arriva anche a 30-40 anni.

Piccola cogenerazione (e microcogenerazione)

La cogenerazione con potenza elettrica inferiore ad 1 MW si definisce piccola cogenerazione,quella con potenza inferiore a 50 KW microcogenerazione, e viene effettuata tramite motori alternativi a combustione interna, microturbine a gas o motori a ciclo Stirling[1]. La differenza principale tra la piccola cogenerazione e la microcogenerazione consiste nel fatto che nella piccola cogenerazione l'energia termica è un prodotto secondario, mentre la microcogenerazione è diretta principalmente alla produzione di calore e secondariamente di energia elettrica.
I vantaggi della piccola cogenerazione

La trigenerazione

La trigenerazione implica la produzione contemporanea di energia meccanica (elettricità), calore e freddo utilizzando un solo combustibile. Le tradizionali centrali termoelettriche convertono soltanto 1/3 dell’energia del combustibile in elettricità,mentre il resto viene perso sotto forma di calore. Ne consegue l’esigenza di incrementare l’efficienza della produzione elettrica. Un metodo che va in questa direzione è la produzione combinata di calore ed elettricità (C.H.P.) dove più di 4/5 dell’energia del combustibile è convertita in energia utilizzabile, con benefici sia finanziari che economici.

Attualmente è possibile percepire, da un impianto al di sotto dei 1000 kWh (1 megawatt ora) immessi in rete attraverso un sistema di cogenerazione ad oli vegetali, due differenti tariffe cosiddette “omnicomprensive”, la prima di 0,18 € per ogni kWe immesso, questo per tutti gli oli di tipo vegetale non appartenenti alla filiera corta europea definita dalla legge 99 del 20091, la seconda di 0,28 € per ogni kWe solo per gli oli vegetali provenienti da filiera corta di origine Europea come descritto dalla suddetta legge e ratificato nella direttiva successivamente emanata.

(1 Vedi  “Direttiva Ministero Politiche Agricole e Forestali del 31/03/2010” )

La cogenerazione

Per quanto riguarda il settore della cogenerazione il nostro gruppo opera in simbiosi con aziende del settore di elevato standard qualitativo e esegue un opera di divulgazione delle caratteristiche tecnico economiche della tecnologia cogenerativa, seguiamo  il cliente dalla fase di primo contatto, al sopralluogo preliminare per acquisire i dati di progetto degli impianti, alla redazione del business plan, alla spiegazione delle caratteristiche finali dell’impianto proposto e alla redazione e chiusura del contratto.
Nel nostro gruppo di lavoro abbiamo la possibilità di verificare diverse soluzioni di finanziamento dell’impianto.

Riassumendo il cliente avrà un prodotto realizzato chiavi in mano, dalla redazione di tutte le pratiche amministrative, la progettazione degli impianti e la loro realizzazione.

Attualmente il nostro gruppo segue l’installazione, per conto terzi, di motori per la cogenerazione ad olii vegetali provenienti sia dal mercato Europeo (filiera corta tracciabile) sia olii provenienti dal mercato extra-europeo su progetti di ampio respiro e di collaborazione con attività nel continente Africano.

Il nostro gruppo è costituito da un gruppo di  Professionisti ed Imprenditori di riconosciuta  stima,
al fine di raggiungere gli scopi :

Ecologia e rispetto dell’ambiente
Produzione di energia con metodi e strumenti ambientalmente poco invasivi
Utilizzo di tecnologie pluri-collaudate e semplici
Sviluppo di sistemi economicamente vantaggiosi

Obiettivo della proposta

Obbiettivo di questo business plan è andare a proporre di realizzare un impianto di cogenerazione di bassa potenza, 450 kWh, con la funzione di riscaldare le strutture abitative e funzionali adiacenti l’installazione, ed ovviamente immettere in rete l’elettricità prodotta ricavandone gli utili derivanti dalla rivendita dell’energia, come previsto dalle normative allegate alla fine di questa relazione.

Produttori di motori

Sono presenti sul mercato della cogenerazione una moltitudine di motoristi specializzati. Le aziende, con cui siamo lieti di collaborare, sono state selezionate sulla base delle seguenti caratteristiche:

esperienza nel settore
numero di motori già installati
qualità progettuale
garanzie sul motore
garanzie sul rendimento (in forma assicurativa)
qualità generale dell’assemblato
qualità delle parti “sensibili” come generatore, scambiatore di calore, etc.
qualità dell’assistenza
costi dell’assistenza
costi dell’assemblato

La fornitura degli oli

I tracciabili – Filiera Europea – olio di colza, girasole, soja
I non tracciabili, provenienza estera, olio di palma, olio di jatropha curcas

Le aziende partner del nostro gruppo, si rivolgono agli operatori di mercato, ma con alcune preferenze legate alle seguenti caratteristiche:

esperienza nel settore
volume di affari
capacità di consegna presso il cliente
prezzi e gestione della contrattualistica

Abbiamo individuato alcuni operatori attendibili e seri, ma per via dell’oscillazione dei prezzi soprattutto per gli oli tracciabili saremo obbligati a rivolgerci ad uno piuttosto che all’altro solo nei mesi immediatamente antecedenti l’installazione.
La maggior parte dei clienti, peraltro, ha già un’idea abbastanza chiara relativamente a dove comprare l’olio.

Analisi del funzionamento del motore da cogenerazione

Il motore da cogenerazione ad oli vegetali si basa su tre moduli basilari:

• motore
• generatore di corrente
• scambiatore di calore
• Il motore genera il movimento che mette in funzione il generatore di corrente, e una certa quantità   di calore pari generalmente al 110-120% dell’energia elettrica ottenuta.
• Il generatore di corrente, detto anche alternatore, genera energia elettrica da immettere in rete.
• Lo scambiatore di calore consente al liquido di raffreddamento del motore di ottenere acqua calda a 95°di temperatura, destinata al teleriscaldamento o ad usi industriali.
In aggiunta a tali benefit, si possono ottenere:

• Vapore (attraverso sistemi di surriscaldamento dell’acqua detti ORC) per un totale del 45% del calore in kW termici totali
• Aria condizionata ottenuta con sistemi sofisticati di inversione termica fino ad un massimo di 35% del calore in kW termici totali
• Energia elettrica supplementare pari al 10% del valore in kW termici del calore totale.

Tale sistema consente un’ottimizzazione dello sfruttamento del calore a favore di energia elettrica non rivendibile secondo i criteri di agevolazione della legge 99/2009 ma con una certa convenienza da parte dell’utente di tale energia, in quanto ottenuta attraverso un processo supplementare e poco oneroso.

La rivendita dell’energia elettrica

La procedura di riconoscimento della tariffa omnicomprensiva legata alla tipologia di olio utilizzata è ampiamente descritta dalle normative allegate a questo documento, mentre sul portale dell’AGEA è descritto il protocollo necessario per il riconoscimento della relativa tariffa. Una volta ottenuto il riconoscimento, il gestore ha diritto di fatturare ogni mese l’ammontare in kW elettrici immessi in rete, concordati come indicato statisticamente dalla strumentazione fiscale montata nella cabina elettrica (contatori fiscali). La congruenza fra il prodotto dichiarato e quello effettivamente utilizzato viene verificata da controlli regolari effettuati dall’ente preposto, e il deposito degli oli è considerato un magazzino fiscale a tutti gli effetti, con tanto di registro vidimato e bollettari relativi, dove sia il venditore degli oli che il trasportatore che l’utente finale ne detengono
registrazioni precise e univoche relativamente al tipo di olio e alle quantità.

La rivendita del calore

In questo caso il gestore dell’impianto si trova ad avere due possibili strade da percorrere:

1 utilizzare il calore per un uso interno

2 rivendere il calore a terzi

I prezzi medi del calore per ogni kW termico consegnato variano da zona a zona e ovviamente per tipologia di combustibile utilizzato. La classifica dei costi, a partire dal più oneroso, è la seguente:

tipologia prezzo medio al kWt 
1 elettrico 0,17 €
2 gasolio 0,12 €
3 gpl 0,11 €
4 metano 0,10 €
5 pellets 0,09 €

tali valori sono fortemente influenzati dalle condizioni degli impianti4. Da considerare con attenzione il fatto che la tecnologia del teleriscaldamento elimina radicalmente i costi di manutenzione delle caldaie tradizionali. Il prezzo di fornitura in teleriscaldamento di kW termici provenienti dall’impianto di cogenerazione può partire da 0,04 € per kWt fino ad arrivare ad un valore di 0,10€ per kW termico erogato, consentendo così un risparmio all’utente finale che va dal 30% fino al 60% del prezzo medio senza teleriscaldamento.

La rivendita dell’energia supplementare da recupero calore.

Con le aziende del gruppo operativo  abbiamo pensato di andare ad applicare un sistema ORC particolare, di produzione Americana, il quale genera 50 kW elettrici ogni 500 kW di calore. Il modulo ha un costo importante e viene proposto al cliente quando si verifica una potenziale condizione favorevole all’utilizzo di tale modulo, ma porta ad un’ottimizzazione notevole nello sfruttamento del calore in eccesso.
50 kWh di energia gratuita supplementare possono evitare per esempio i cosiddetti “splafonamenti” della bolletta dell’energia, considerati un imprevisto nei costi.
Tale energia può essere anche rivenduta ottenendo in questo modo, oltre che alla resa economica, anche il diritto all’ottenimento dei relativi “certificati bianchi” meglio descritti nella sezione “ulteriori agevolazioni” di questo documento.

N.B.:  IL PIGLET – Prodotto e ideato da NEWCOMEN
da una ricerca di mercato fatta dal nostro gruppo è fiorita una nuova macchina di ideazione e costruzione italiana che ci permette di andare a lavorare su potenze termiche fino ai 150kwt minimi.
Con questa potenze minima citata si andrebbero  a produrre 15kw di corrente.
Fornitura di aria condizionata

Tale tipologia di fornitura, nella sua condizione tradizionale, si basa su una tecnologia tipicamente
elettromeccanica, per cui notoriamente è piuttosto costosa in termini di consumi elettrici. I costi sono difficilmente stimabili, ma è risaputo che un impianto di condizionamento consuma tanti kW quante sono le ore di funzionamento moltiplicate per la potenza dell’impianto moltiplicato per il costo del kW elettrico dalla rete.
Questa soluzione porta ad un risparmio che sfiora spesso il 60% ed evita gli splafonamenti nei grossi impianti durante il periodo estivo. E’ possibile abbinare, qualora si presentasse la condizione, l’ORC per la produzione di energia elettrica anche al sistema per aria condizionata, con rendimenti anche superiori al solo sfruttamento del calore.

Fornitura di vapore ad alta temperatura

Tale soluzione è destinata ad impianti industriali con specifiche caratteristiche, come ad esempio le tintorie o i salumifici, i quali richiedono grandi quantità di vapore a 120°di temperatura.
La richiesta di tali strutture è spesso tale da garantire la rivendita totale del calore prodotto, assicurando al gestore dell’impianto delle rese al top della potenzialità del motore.