Criteri e metodi per l'ottimizzazione di sistemi di poligenerazione di piccola e media taglia - Criteria and methodologies for the optimization of small/medium scale polygeneration systems

Abstract

L'Unione Europea ha individuato nella produzione combinata di energia elettrica e calore una delle tecnologie ad alta efficienza di maggior interesse, fissando per il 2010 il target del 18% della produzione elettrica totale dell'Unione da sistemi cogenerativi (COM/97/0514). Dati recenti rivelano la non attualità di tale target (al 2005 si è raggiunto il 12% di penetrazione); rimane tuttavia evidente la volontà, esistente sia a livello comunitario che in molti Stati Membri, di perseguire la via della promozione della poligenerazione. Le ragioni di questo interesse sono evidenti: l'elevata efficienza di conversione garantita dal recupero dei cascami termici di un ciclo diretto consente, a parità di vettori energetici prodotti, una significativa riduzione dei consumi energetici rispetto alla produzione separata di energia elettrica e calore e, conseguentemente, un abbattimento delle emissioni inquinanti. A questi benefici se ne affiancano degli ulteriori, connessi al principio di generazione distribuita e rappresentati dalla riduzione delle perdite di trasmissione e dall'accresciuta affidabilità nell'alimentazione delle utenze elettriche. Una buona frazione dell'odierno mercato cogenerativo è rappresentata dai sistemi di media/grossa potenza integrati con attività industriali, a causa della regolarità dei profili di carico elettrico e termico di tali utenze che favorisce un elevato sfruttamento annuo dell'impianto CHP e, pertanto, contribuisce al rapido ammortamento del suo costo; la taglia media dei sistemi installati oggi in Italia si assesta intorno ai 10 MWel, comprendendo impianti turbogas e cicli a vapore in contropressione nonché sistemi di taglia ancora superiore a ciclo combinato. Nell'individuare scenari di elevata diffusione della generazione distribuita la letteratura scientifica ha evidenziato il significativo potenziale della cogenerazione e della trigenerazione di piccola e media taglia per utenze del settore civile; tale attenzione è ancora testimoniata dallo specifico riferimento che la Direttiva quadro in materia di riconoscimento dei sistemi CHP ad alta efficienza (Dir. 2004/8/EC) fa alla "micro-cogenerazione" ed alla "cogenerazione di piccola taglia", definite rispettivamente con riferimento alle soglie di potenza installata di 50 kWe ed 1 MWe. Il D. Lgs. 8 febbraio 2007 n. 20, attuativo della suddetta Direttiva, intende "accrescere l'efficienza energetica e migliorare la sicurezza dell'approvvigionamento", definendo misure atte a promuovere e sviluppare la cogenerazione ad alto rendimento di calore ed energia, basata sulla domanda di calore utile e sul risparmio di energia primaria, con particolare riferimento alle condizioni climatiche nazionali. Tra le tecnologie relative alla micro-cogenerazione ed alla cogenerazione di piccola taglia, il Decreto fa riferimento a: - Motori a combustione interna; - Microturbine a gas; - Motori Stirling; - Pile a combustibile. A fronte dell'elevato potenziale unanimemente riconosciuto, la capacità small/micro-scale CHP installata risulta ancora limitata, a causa di numerosi fattori; tra questi, si possono considerare preminenti la presenza di un quadro legislativo non stabile e l'assenza di competenze specifiche, a livello di piccoli/medi operatori di mercato, dei criteri di scelta e gestione di piccoli sistemi poligenerativi e delle opportunità offerte dalle odierne tecnologie CHP. Il presente progetto di ricerca è volto a fornire un quadro conoscitivo dettagliato e ad elaborare metodi per l'ottimizzazione di sistemi poligenerativi per applicazioni di piccola e media scala nel settore civile (terziario e residenziale). La ricerca dovrà coinvolgere diversi livelli, tra i quali lo studio, su base teorica per le tecnologie già affermate e sperimentale per quelle più innovative, del comportamento dei diversi componenti d'impianto e l'analisi delle interazioni tra questi al variare del lay-out, dei parametri di progetto e de