Tipologie impiantistiche per la cogenerazione

Le tipologie impiantistiche fondamentali sono le seguenti:

Ognuna di esse presenta caratteristiche peculiari, che la rendono adatta a particolati classi di potenza e indice elettrico/termico (ossia il rapporto fra la potenza elettrica e quella termica generate, di seguito indicato con Ie per brevità). Nelle tabelle e nei diagrammi seguenti vengono mostrati i campi di applicazione e le note essenziali. Il continuo sviluppo tecnico sta portando progressivamente verso un incremento dei rendimenti elettrici ed una maggiore flessibilità di utilizzo degli impianti.

I motori diesel sono ormai impiegati in casi particolari, usualmente quando non è disponibile il gas naturale, benché caratterizzati da rendimenti elettrici migliori rispetto a quelli a ciclo otto, a causa delle maggiori problematiche ambientali e gestionali del gasolio rispetto al metano.
Gli M.C.I. sono fondamentalmente caratterizzati da un limitato investimento iniziale e da un buon indice Ie, ma presentano alti costi di manutenzione e la necessità di effettuare la manutenzione straordinaria più frequentemente degli altri sistemi. Inoltre forniscono energia termica a due temperature distinte, di solito in due circuiti separati, legate al recupero dei gas di scarico (400-450°C) e di acqua di raffreddamento ed olio di lubrificazione (sotto i 100°C). Pertanto va valutata caso per caso la possibilità di recuperare tutto il calore disponibile e di raggiungere quindi la piena efficienza della cogenerazione. I motori endotermici presentano comunque il vantaggio di essere adatti a carichi variabili e sopportano meglio delle turbine arresti e partenze.

Le turbine a gas al di sotto del MWe di potenza sono generalmente indicate come microturbine e negli ultimi anni sono entrate in competizione con i motori endotermici per le piccole taglie, grazie ai minori oneri di manutenzione ed alle emissioni di NOx inferiori. Presentano rendimenti elettrici limitati (inferiori al 30%) e relativamente costanti al variare del carico, grazie al funzionamento a giri variabili. I costi ancora elevati e l'affidabilità ancora non verificata per tutte le marche rappresentano attualmente i maggiori ostacoli per questa tecnologia.
Nelle taglie medie e grandi le T.G. sono una tecnologia affermata da tempo. Esse offrono rendimenti elettrici non esaltanti insieme alla possibilità però di recuperare calore ad alta temperatura dai gas di scarico (450°C), opzioni particolarmente adatta ad alcuni processi industriali caratterizzati da una domanda costante di vapore o energia termica a media temperatura.
Le turbine a gas non sopportano un funzionamento intermittente, a causa delle alte temperature raggiunte dai primi stadi delle palettature, e possono essere alimentate a gas naturale o gasolio.

Le turbine a vapore sono adatte solo a taglie medie e grandi e hanno subito la forte concorrenza delle T.G., rispetto alle quali presentano un Ie sfavorevole in un mercato che privilegia sempre più gli usi elettrici rispetto a quelli termici. Sono inoltre caratterizzate da elevati investimenti iniziali e da una maggiore complessità impiantistica e gestionale per la presenza del generatore di vapore e del suo circuito. Sono comunque l'unica soluzione disponibile per l'utilizzo di combustibili diversi da gas naturale e gasolio e si impongono quindi con i combustibili solidi di varia natura e con quelli liquidi e gassosi "sporchi".
Fra le due tipologie impiantistiche base disponibili, per la cogenerazione si fa prevalentemente ricorso a quella a contropressione rispetto a quella a condensazione, sfruttando la sua maggiore adattabilità a pena di una riduzione del rendimento elettrico.

Le celle a combustibile sono ancora in fase prototipale o dimostrativa, salvo il caso di quelle ad acido fosforico che non risultano però competitive in quanto ai costi. Si possono distinguere quattro tipi fondamentali di cella adattabili alla cogenerazione:

Tali tipologie di cella sono in ordine crescente di temperatura. Si passa dai 70-100°C delle PEFC agli 800-1000°C delle SOFC. Le prime si avvantaggiano dell'interesse legato alla loro applicabilità al settore automobilistico, che paradossalmente permetterà il loro impiego prima in quello della generazione statica, che può sostenere maggiori costi di investimento per unità di potenza. Sono adatte a piccole taglie (al di sotto del megawatt) e presentano tempi di avviamento rapidi, al contrario delle celle ad alta temperatura (MCFC e SOFC), rispetto alle quali sono però sensibili al monossido di carbonio e richiedono l'uso di un reformer. La temperatura di funzionamento limita inoltre il recupero termico.
Il grande vantaggio delle celle a combustibile risiede nell'essere dispositivi statici, offrendo così un'affidabilità maggiore ed oneri di manutenzione minori rispetto alle altre soluzioni. Esse presentano inoltre un rendimento elettrico molto elevato, silenziosità ed assenza di vibrazioni. I problemi fondamentali da superare sono i costi di produzione, ancora troppo elevati, e alcuni problemi di resistenza alla corrosione e/o agli stress termici per le celle ad alta temperatura.

I cicli combinati sono l'unione di una o più turbine a gas (nel futuro anche di una cella a combustibile ad alta temperatura), con una turbina a vapore a contropressione per mezzo di un generatore di vapore a recupero. Il vantaggio essenziale è rappresentato dall'elevato rendimento elettrico (alto Ie). Si tratta di una soluzione adatta prevalentemente alle grandi taglie, che giustificano la maggior complessità impiantistica, e ad un funzionamento continuo, sebbene gli sforzi dei costruttori negli ultimi tempi siano orientati a cercare di rendere il funzionamento di tali impianti il più flessibile possibile, per venire incontro alle esigenze dei mercati liberalizzati.