Introduzione: come funziona la Trigenerazione
La Trigenerazione può essere vista come un’estensione della Cogenerazione, quest’ultima intesa come la produzione combinata di elettricità e calore sfruttando la stessa energia primaria, di solito un combustibile, come ad esempio gas metano.
Quando si parla di Trigenerazione invece, si intende produzione di energia elettrica, di energia termica e di energia frigorifera. Quest’ultima è possibile garantirla mediante macchine ad assorbimento, e può essere sfruttata per processi industriali o per condizionamento.
La Trigenerazione diviene molto utile nel caso dell’utenza domestica e civile in genere, dove l’esigenza del riscaldamento è limitata al periodo invernale, e quindi c’è la possibilità di fruttare il termico per la produzione di energia frigorifera, per il condizionamento estivo, mediante un’assorbitore a bromuro di litio.
La Trigenerazione viene anche indicata con la sigla inglese CCHP (Combined Cooling, Heating and Power).
Un impianto di Trigenerazione, in maniera analoga ad un impianto di cogenerazione, è costituito dalle seguenti componenti principali:
- un motore endotermico alimentato da un combustibile (gas, diesel, biomase, biogas, biodiesel);
- un generatore elettrico che trasforma l’energia meccanica del motore in elettricità
- degli scambiatori di calore, per recuperare il calore disperso dal processo di generazione dell’energia elettrica e metterlo a disposizione dell’utenza sottoforma di calore
- dei gruppi frigoriferi ad assorbimento che, fruttando una parte del calore recuperato, producono energia frigorifera.
Perché conviene la Trigenerazione: Rendimenti energetici
Un impianto di Trigenerazione, rispetto ad un impianto di Cogenerazione, ha devi vantaggi notevoli anche sotto l’aspetto di efficienza energetica.
Con delle tradizionali centrali termoelettriche si convertono circa il 30% dell’energia primaria in elettricità ed il restante 70% viene dissipato sotto forma di calore da smaltire in torri di raffreddamento. Con un impianto di trigenerazione invece, si riesce ad usufruire di oltre l’80% del combustibile, sfruttando l’energia termica per riscaldamento e raffrescamento (mediante assorbitore).
La trigenerazione presenta notevoli vantaggi, tra i quali:
- una riduzione del consumo di combustibile, grazie ad un miglioramento dell’efficienza complessiva dell’impianto, che con la stessa quantità di energia primaria è in grado di produrre energia elettrica, calore e refrigerante;
- una riduzione delle perdite di trasmissione di energia, grazie alla vicinanza degli impianti di produzione dell’energia elettrica, termica e frigorifera ai luoghi di consumo;
- una riduzione conseguente dell’impatto ambientale, dato che una minor consumo di combustibile contribuisce a diminuire le emissioni di CO2;
- un risparmio economico nel medio/lungo periodo, grazie alla minor quantità di combustibile consumata e alle agevolazioni fiscali che vengono attualmente applicate ai sistemi di energie alternative.
E’ però da tenere conto che:
- i rendimenti ottimali si hanno quando la domanda di elettricità, calore e freddo da parte dell’utenza è pressoché contemporanea, dato che non sono facilmente accumulabili;
- non sempre c’è compatibilità tra la quantità di energia elettrica e termica necessarie;
- la vicinanza tra luogo di produzione e utenza dell’energia non è sempre realizzabile;
- gli impianti di trigenerazione sono una soluzione economicamente vantaggiosa solo se la potenza richiesta dall’utenza supera una certa soglia minima;
- è da valutare caso per caso la fattibilità e la convenienza di una determinata tipologia di impianto di trigenerazione, attraverso un’apposita analisi inizile.
Per Trigenerazione (e cogenerazione) ad Alto Rendimento si intende un impianto che soddisfa i requisiti minimi definiti dal D.L. n. 20 del 2007 e dal D.M. 4 agosto 2011, e per questo riceve dal GSE il “riconoscimento del funzionamento in CAR”: il valore del risparmio di energia primaria (PES) che consegue deve essere almeno del 10% oppure, nel caso di piccola cogenerazione o microcogenerazione, deve essere almeno positivo.
Come funziona un Assorbitore
Come è stato detto, l’assorbitore è una macchina capace di produrre energia frigorifera partendo da una fonte di calore. Tale funzionamento è possibile sfruttando il bromuro di litio (che è un sale), che ha la capacità di assorbire l’umidità: in particolare assorbe il vapore d’acqua formatosi nell’evaporatore.
In modo simile ad una girante di un chiller centrifugo (ciclo a compressione) che aspira il vapore dalla sezione di evaporazione, ripristinando le condizioni tali da garantire il setpoint dell’acqua refrigerata, allo stesso modo avviene in un ciclo ad assorbimento: sotto l’effetto della differente pressione di vapore acqueo, la soluzione concentrata richiama il vapore.
La soluzione di bromuro di litio è in grado di assorbire una data quantità di vapore d’acqua, dopodiché, eccessivamente diluita, diventa inefficace. Per continuare il processo occorre riconcentrare il sale rimuovendo l’acqua che è stata assorbita. Questo processo avviene in un componente della macchina detto generatore. Riscaldando la soluzione diluita nel generatore, l’acqua in eccesso evapora, la soluzione torna ad essere concentrata e nuovamente inviata alla sezione di assorbimento, dove è di nuovo in grado di assorbire il vapore d’acqua proveniente dall’evaporatore. L’acqua che si trova allo stato di vapore viene invece riportata allo stato liquido nel condensatore mediante sottrazione di calore. Viene quindi inviata all’evaporatore ed il processo può continuare. Solitamente viene impiegata acqua da torre per il raffreddamento (in serie) sia dell’assorbitore che del condensatore.
In un ciclo a compressione il chiller modula la velocità di rotazione per adeguare la portata di refrigerante aspirata in funzione del carico frigorifero. Nel ciclo ad assorbimento: al diminuire del carico (e conseguente formazione di vapore) sarà necessario garantire nell’assorbitore un minor grado di concentrazione della soluzione. Di conseguenza verrà modulato l’afflusso di energia termica al generatore (es. 3 vie).
Affinché l’acqua evapori a temperature basse, tali da produrre acqua ad esempio a 7°C, è necessario che la pressione nell’evaporatore sia sufficientemente bassa. L’acqua a pressione atmosferica bolle a 100°C: per portare al temperatura di ebollizione a valori inferiori a 7°C è necessario che la pressione sia di circa 1/100 della pressione ambiente: l’unità opera sotto vuoto. Il grado di vuoto necessario all’evaporatore viene mantenuto grazie alla forte affinità tra la soluzione ed il vapore d’acqua.
Gli assorbitori possono essere di due tipi:
–Monostadio (alimentazione ad acqua calda 90°C / surriscaldata 130°C, vapore BP 1 bar);
–Bistadio (vapore AP 8 bar, gas, fumi);
Gli assorbitori Bistadio vengono utilizzati quando l’energia termica è disponibile ad un livello di temperatura superiore e consente di aggiungere un ulteriore generatore. Il generatore di 2°stadio è alimentato in cascata termica da quello di primo stadio senza introduzione di ulteriore calore e ciò si traduce in una maggior efficienza della macchina. Il ciclo è più complesso di quello monostadio e ciò si traduce in una minor flessibilità di funzionamento. Di contro le prestazioni sono piu’ alte di un assorbitore monostadio ed in genere si hanno i seguenti valori:
COP = Potenza frigorifera / Potenza termica in input al generatore
COP (monostadio) >0.7
COP (bistadio) >1.2
Gli assorbitori hanno bisogno per funzionare di pochissima energia elettrica. Le uniche parti in movimento sono le pompe della soluzione e del refrigerante che garantiscono la movimentazione dei fluidi internamente alla macchina.
La regolazione della potenza frigorifera erogata è ottenuta per mezzo di una valvola a 2/3 vie sulla portata di vapore o acqua inviata al generatore.
Riferimenti normativi
- al D. Lgs. 20/07 e al D.M. 4 agosto 2011, che stabiliscono il riconoscimento della Cogenerazione Alto Rendimento e i criteri per poter definire un impianto come CAR
- al D.M. 5 settembre 2011, che pone le basi per l’incentivazione della CAR*
- alla Legge n. 44 del 2012 sulla “Defiscalizzazione” del gas naturale
- al D.Lgs n. 102 del 2014 che attua la Dir. 2012/27/UE sull’Efficienza Energetica, che prevede una serie di misure atte a migliorare l’efficienza energetica in tutti i settori, allo scopo di ridurre del 20% il consumo di energia primaria entro il 2020.
*Con l’uscita del Decreto 04 agosto 2011 (CAR) e del successivo Decreto 05 settembre 2011 (Regime di sostegno CAR), gli impianti in regime di cogenerazione e trigenerazione ad alto rendimento ricevono un incentivo annuo (per 10 o 15 anni) proporzionale al risparmio di energia generato, beneficio che permette di ridurre i tempi di recupero dell’investimento.
Altri riferimenti normativi riguardanti SEU ed oneri generali di sistema:
- Delibera AEEG 578/2013/R/EEL
- 116 11-8-2014 (art 24)
- DL 30/12/2016 n. 244 (Milleproroghe)
- Biblioteca tecnica Peg 1 – Gruppi frigoriferi ad assorbimento – Antonio Gallo e Giorgio Grandi
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