La micro-cogenerazione: energia e riscaldamento su misura

Focus tecnologia
La micro-cogenerazione: energia e riscaldamento
su misura
Jacopo Criscuolo, Tecnocasa Climatizzazione Srl
Negli ultimi anni, una crescente richiesta
energetica ha portato allo sviluppo di tecnologie ad alto rendimento, capaci di ottimizzare lo sfruttamento delle fonti energetiche primarie. La nascita di grandi impianti di cogenerazione ha costituito il primo
passo verso uno sfruttamento razionale
dell’energia, ma gli elevati costi di costruzione degli impianti di teleriscaldamento e
la scarsa flessibilità degli stessi nei confronti delle esigenze delle reti utente ha ostacolato la diffusione di questa tecnologia.
Per consentire quindi a ciascun utente di
produrre il proprio risparmio energetico,
sono stati studiati impianti di micro-cogenerazione con motore endotermico, i cosiddetti Micro Combined Heat and Power
(MCHP) (Figura 1). Si tratta di un’unità di
piccola dimensione, facilmente installabile,
in cui il generatore di corrente elettrica è
attivato da un motore alimentato a gas, di
cui si recupera il calore, insieme con quello
dei gas esausti, per la produzione di calore.
La competitività di questi sistemi, dal
punto di vista energetico, traspare da semplici valutazioni: gli impianti di produzione
separata dissipano parte dell’energia prodotta; i MCHP, dove l’organo preposto alla
conversione dell’energia primaria in potenza utile è il motore endotermico, recuperano tutta l’energia dal raffreddamento di
alcune sue parti e dai gas di scarico; inol-
tre, il regime di rotazione del motore di un
sistema MCHP modulante a gas può variare e adattarsi alle migliori condizioni di funzionamento, mentre la produzione elettrica
può “inseguire” il carico della rete utente
all’interno di un intervallo di massima e
minima potenza.
L’energia elettrica è ceduta alla rete
utente mediante una connessione in parallelo con la rete di distribuzione nazionale. Il
circuito di recupero dell’energia termica del
motore lavora generalmente con una
miscela acqua–glicole che, dopo aver raffreddato il motore, recupera in uno scambiatore gas–liquido anche una parte dell’energia termica rilasciata dai gas di scarico espulsi dal motore. L’energia termica del
refrigerante motore è ceduta all’acqua
attraverso uno scambiatore a piastre saldo
brasato. Date le non elevate potenze termiche in gioco, solitamente è necessario prevedere un serbatoio di accumulo per lo
stoccaggio dell’energia termica ed eventualmente un sistema per l’integrazione
della potenza termica.
Ma per capire bene i vantaggi che un
impianto di micro-cogenerazione con
motore endotermico ha in ambito domestico, andiamo a descrivere in maniera ravvicinata e accurata le singole fasi di una sua
installazione in un’unità abitativa di circa
100 m2 ad alto risparmio energetico nella
zona di Loreto, ad Ancona (Figura 2).
Trattandosi di un edificio già esistente e
non potendo intervenire sulle strutture, è
stato scelto di realizzare un impianto di pro-
Figura 1: Impianti Micro Combined Heat and Power.
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duzione combinata di energia elettrica e
acqua calda, sia per il riscaldamento sia per
uso sanitario, utilizzando un MCHP dalle
caratteristiche tecniche adeguate all’uso
residenziale. È stato installato un prodotto
innovativo che potesse essere compatibile
con esigenze quali l’incertezza della domanda di energia elettrica da parte della rete
utente, la necessità costante di acqua calda
per uso sanitario e per riscaldamento della
piscina, la possibilità di restituire in rete
eventuale corrente in eccesso prodotta, la
facilità di utilizzo da parte dell’utente finale,
una manutenzione ridotta e costi di gestione e di installazione contenuti e, infine, una
bassa rumorosità di funzionamento.
La produzione elettrica del MCHP scelto
è stata affidata a un complesso formato
da generatore a magneti permanenti,
convertitore e inverter (Figura 3). Tale
soluzione è esente da manutenzione,
garantisce un’alta efficienza e una vita
più lunga del generatore stesso. Il sistema di raffreddamento è ad aria per convezione naturale, mentre la velocità di
rotazione (variabile nell’intervallo 1600 ~
1800 rpm) coincide con quella dell’albero
motore del propulsore, cui è accoppiato
tramite un volano.
La corrente così prodotta è resa continua
in un convertitore AC/DC e trasferita all’inverter, che provvede a inviare alle utenze
corrente con caratteristiche uguali a quelle
della corrente proveniente dalla rete nazionale. L’inverter è a sua volta connesso a un
sistema di controllo situato nel quadro di
Figura 2: Impianto di micro-cogenerazione con motore
endotermico in ambito domestico.
l
Figura 3: La produzione elettrica del MCHP.
parallelo, costituito da due trasformatori
amperometrici inseriti tra l’inverter stesso
e la rete nazionale, che ha l’importante
compito di trasferire tutte le informazioni
relative alle variazioni di carico sulla rete
utente, nonché il comando di avviamento
al propulsore, quando il minimo valore di
carico elettrico sulla rete utente viene
superato.
Fino al minimo valore di carico elettrico,
la rete utente è alimentata dalla rete nazionale. Superato tale valore, la rete utente è
alimentata dal MCHP fino al raggiungimento della sua capacità nominale. Se la rete
utente richiede una potenza superiore alla
capacità nominale del MCHP, essa è alimentata sia dal MCHP sia dalla rete nazionale, fino al raggiungimento della massima
capacità del contratto. Quando la richiesta
della rete utente scende sotto il minimo
valore di carico elettrico, il propulsore del
MCHP si arresta e l’unità resta in modalità
standby.
Il tutto è gestito in maniera completamente automatica: l’interfaccia utente è
costituita da un controllo remoto dotato di
display grafico, molto simile a quello di una
caldaia tradizionale, su cui sono visualizzati i parametri di funzionamento dell’unità
ed eventuali anomalie che dovessero verificarsi.
Per quanto riguarda invece la produzione
termica, questa è affidata a un sistema di
recupero calore dotato di scambiatore a
piastre saldo brasato (Figura 4). Nello specifico, il recupero termico è ottenuto dal
raffreddamento dei gas di scarico e delle
pareti del motore: una soluzione glicole etilene al 45% è fatta circolare per mezzo di
una pompa a magnete non direttamente
vincolata al motore endotermico, la cui
portata varia in funzione della temperatura.
Una volta effettuato il recupero termico,
a seconda dei livelli di temperatura presenti in corrispondenza delle due valvole termostatiche miscelatrici a tre vie modulanti,
a
Figura 4: La produzione termica del MCHP.
soluzione percorre i seguenti circuiti: per
temperature inferiori a 55°C, la soluzione
attraversa il solo circuito di by-pass, circolando esclusivamente nel motore. Questa
configurazione è caratteristica dell’avviamento del MCHP; per temperature comprese tra 55°C e 72°C, parte della soluzione
attraversa il circuito di by-pass e parte raggiunge lo scambiatore a piastre. In particolare, la quantità di soluzione che attraversa
lo scambiatore a piastre aumenta con la
temperatura. Questa configurazione è
caratteristica di una corretta gestione del
MCHP; per temperature superiori a 72°C,
parte della soluzione attraversa lo scambiatore a piastre e parte è inviata al radiatore
per la dissipazione della potenza termica in
eccesso. Quando la temperatura raggiunge
gli 80°C, la ventola di raffreddamento entra
in funzione. Questa configurazione è caratteristica di una gestione non corretta del
MCHP.
Il MCHP può funzionare anche in modalità priorità termica. In questo caso l’inseguimento elettrico è inibito. La produzione
di corrente è sempre quella nominale e
l’eventuale eccesso è riversato in rete e
venduto al distributore nazionale mediante
contratto di interscambio sul posto. Il termostato del serbatoio di accumulo può
essere collegato con l’unità mediante un
contatto pulito. Quando la temperatura
richiesta è raggiunta nel serbatoio di accumulo, il contatto si apre e il propulsore del
MCHP si arresta. Anche in questo caso tutte
le operazioni sono gestite automaticamente dal sistema. L’utente pertanto deve solo
scegliere quale temperatura desidera dentro casa e impostarla sul termostato del
sistema di riscaldamento.
Ma quali sono i vantaggi che si ottengono utilizzando micro-generatori a motore
endotermico?
In primis tali sistemi consentono di trasferire parte della produzione elettrica
verso sistemi ad alta efficienza basati sul-
l’utilizzo di combustibili gassosi, sfruttandoli anche in periodi dell’anno (estate) in
cui il loro consumo è generalmente ridotto.
Inoltre, questo tipo di tecnologia si può
utilizzare in tutti i casi in cui l’approvvigionamento elettrico è di difficile realizzazione o in quelli in cui un aumento di potenza elettrica impegnata è negato dalla compagnia di distribuzione. A ciò deve aggiungersi il risparmio prodotto dall’abbattimento dei costi per la produzione di calore, che
con il MCHP è contemporanea a quella
elettrica.
Prendendo poi in esame il caso concreto
dell’unità abitativa di Loreto, si può notare
come l’installazione del MCHP abbia comportato un notevole risparmio economico
(circa il 35%), rispetto all’acquisto separato delle potenze prodotte. A fronte di un
esborso iniziale più alto, con un funzionamento annuo di almeno 3.500 ore (circa 10
ore al giorno) l’investimento iniziale può
essere recuperato in 5 anni. La vita media
di questo tipo di macchina, poi, è di circa
35.000 ore di funzionamento, pari a dieci
anni, con intervalli di manutenzione ordinaria ogni 10.000 ore. Il maggiore investimento iniziale si giustifica, pertanto, con i
vantaggi economici connessi alla maggiore
efficienza del sistema.
Infine, il posizionamento dell’unità in
prossimità delle reti utenza, la possibilità
per ciascun utente di gestire il proprio
impianto, l’assenza di perdite legate al trasporto delle potenze prodotte sono le
caratteristiche peculiari che rendono la
micro-cogenerazione diffusa un efficiente
mezzo per il risparmio energetico. Inoltre
le macchine di ultima generazione hanno
intervalli di manutenzione prolungati, sono
di facile installazione e non richiedono particolare formazione per essere usate.
Per informazioni: www.tecno-casa.com
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