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La microcogenerazione nel settore civile

Soluzione tecnologica che garantisce elettricità e riscaldamento

A cura di: Roberto Bonafini

La microcogenerazione - la cui capacità installata è, secondo la definizione del Gse, inferiore a 50 kWe - sta emergendo lentamente come una interessante soluzione energetica  del settore residenziale. Essa potrebbe ricoprire in futuro un ruolo sempre più rilevante nell'ambito del raggiungimento degli obiettivi imposti con la direttiva Energia-Clima dell'Unione europea essendo tecnologia efficiente e in grado di contribuire efficacemente alla voce della riduzione dei consumi e, più in generale, in materia d'efficienza energetica.
In effetti, la cogenerazione è una soluzione che è virtuosa per definizione poiché è in grado di fornire quasi senza sprechi,energia elettrica e calore di recupero bruciando combustibili - gas, ma anche Gpl, gasolio, biogas ed olio di colza - con un'efficienza che può arrivare fino al 90%.
L'idea alla base della cogenerazione domestica è quella di produrre almeno una parte dell'elettricità e del calore necessari in una singola casa o edificio con un microcogeneratore di pochi kW elettrici, che può co-produrre un numero di kW termici grosso modo da 2 a 10 volte maggiore.  
 
Vantaggi
Una delle ragioni principali per cui i proprietari di case o edifici installano (o dovrebbero installare) un sistema di microcogenerazione è, soprattutto, il risparmio economico atteso nel tempo,  anche se è bene sottolineare che occorre una valutazione attenta per verificare che le ore di utilizzo annue portino ad un effettivo vantaggio energetico in grado di ripagare i maggiori costi d'investimento, di gestione e manutenzione rispetto alla generazione separata. La teoria dice, infatti, che l'impianto produce energia elettrica più economica di quella che si acquista dalla rete, sfruttando il naturale riscaldamento del motore per sostituire o integrare la caldaia di casa. L'elettricità in eccesso è assai più "efficiente" - e costa circa la metà di quella prodotta dalle grandi centrali elettriche, poiché è prodotta e consumata localmente, non avendo le perdite per la sua trasmissione a distanza.La microcogenerazione richiede poi il 30-40% di combustibile in meno rispetto alla generazione separata di energia elettrica e termica, a parità di output prodotto.
In media l'impianto si ripaga in 4-5 anni con un utilizzo di almeno 3000-4000 ore l'anno (con un autoconsumo 100% energia elettrica prodotta).
 
Svantaggi
È  proprio la questione legata alle ore di funzionamento la spada di Damocle per questo tipo di tecnologia. L'efficienza della macchina viene sfruttata al massimo solo quando si utilizza tutto ciò che produce elettricità e calore, e d'estate può essere trasformato in freddo. Altrimenti conviene spegnerla.
Il settore civile, in effetti, al contrario dello stabilimento produttivo, sconta il problema del numero medio-basso di ore di funzionamento degli impianti stessi. Per un ottimale sfruttamento della tecnologia, la macchina deve richiedere, per almeno 4-6 mesi, contemporaneamente calore a media e bassa temperatura (tra 90° e 150°C) ed elettricità, in quantità pari al rapporto di generazione della macchina (in genere 1/3 di energia elettrica e 2/3 di energia termica). Queste condizioni diventano quasi improponibili per i condomini, ma risultano essere ideali ad esempio per ospedali, alberghi, piscine ecc. (ma in questo caso occorrerebbe parlare più di minicogenerazione che il Gse classifica fino a 1 MW).
Non solo. L'impianto di cogenerazione di piccola taglia richiede un extra-costo iniziale e maggiori spese di manutenzione rispetto ad un impianto di riscaldamento. Il calcolo del ritorno dell'investimento  dipende poi anche dalla vendita di elettricità prodotta e consumata, dalle condizioni pattuite per l'acquisto di gas (o il gasolio).
Esistono numerosi casi studio di applicazioni in condominio a fronte di una diffusione alquanto limitata: la conditio sine qua non necessaria per "sdoganare" definitivamente l'utilizzo della microcogenerazione è infatti la possibilità di scambiare l'energia elettrica autoprodotta e non consumata col proprio distributore (dicasi scambio sul posto).  
 
Normativa
Nel provvedimento chiave per il settore Dlgs 20/07  "Attuazione della Direttiva 2004/8/CE sulla promozione della cogenerazione basata su una domanda di calore utile nel mercato interno dell'energia"è stata inserita in effetti la possibilità di effettuare lo scambio sul posto perimpianti di potenza elettrica fino a 200 kWe.
Gli impianti di cogenerazione coinvolti  possono immettere energia in rete ed assorbire, all'interno di ogni anno solare, energia fino ad un quantitativo massimo pari a quella immessa, conguagliando le quantità in base al solo valore dell'energia nelle fasce di immissione e di prelievo, senza sostenere altri oneri economici fiscali e di sistema. Ad oggi nella maggior parte dei casi non risulta conveniente tenere acceso nelle ore notturne un piccolo cogeneratore e di conseguenza viene perduta una opportunità di efficienza energetica dell'intero sistema.
Sul fronte del combustibile utilizzato (leggi gas naturale) qualcosa  di recente è stato fatto. Con la legge 44/12 di conversione del D.L. 16/12, che ha regolato la fiscalità della cogenerazione si applica l'accisa di generazione elettrica ai primi 0,22 m3 di gas naturale per ogni kWh elettrico generato. L'effetto immediato di tale provvedimento è un ritorno alle origini dopo i circa nove mesi di applicazione dei nuovi criteri per il calcolo della fiscalità introdotti lo scorso settembre dall'Agenzia delle Dogane con la nota 75649/RU, che avevano creato non pochi timori per il futuro della cogenerazione in campo civile.
È interessante sottolineare il fatto che i micro-cogeneratori di potenza elettrica non superiore a 20kWnon sono soggetti all'obbligo di denuncia all'Ufficio Tecnico di Finanza ed al pagamento delle imposte sull'energia autoconsumata (decreto 504 del 1995, Art. 52 - come modificato dalla legge 133/99, Art. 10, comma 8 - e Art. 53).
Nella pratica, però, molti operatori preferiscono non avvalersi di questa agevolazione, poiché la mancata installazione di dispositivi di misura fiscale non permette di godere della defiscalizzazione sul gas metano. Gli impianti vengono quindi denunciati all'Ufficio Tecnico di Finanza e trattati dal punto di vista fiscale come gli impianti al di sopra dei 20kW.
Sono state previste inoltre una serie di semplificazioni per impianti di microcogenerazione ad alto rendimento (D.M. 27/10/11); il decreto si applica infatti alle officine di microcogenerazione (officine elettriche dotate di impianto di microcogenerazione ad alto rendimento avente potenza elettrica complessiva non superiore a 50 kW) alimentate con gas naturale, gasolio o gpl.  
 
Tecnologie
Diverse sono le tecnologie più indicate per la microcogenerazione domestica, tra queste i motori a combustione interna (in ciclo otto), i motori Stirling, le turbine a gas e i sistemi a celle a combustibile.
 
Motori a combustione interna
I motori a combustione interni fino a 5 kW elettrici si sono sviluppati negli ultimi anni grazie all'introduzione di sistemi a inverter che ne permettono il funzionamento cogenerativo a velocità variabile. Si sono così contenuti almeno in parte quegli elementi di debolezza "intrinseci" di questo tipo di tecnologia, tra cui i costi di manutenzione, la rumorosità, le vibrazioni e la necessità di impiego di sistemi di riduzione delle emissioni inquinanti.
Un valido contributo a queste criticità giunge ad esempio il microcogeneratore a gas Aisin che permette di avere energia e calore presso l'utenza grazie ad un motore endotermico, utilizzando metano o Gpl. L'affidabilità è affidata al motore Toyota con costi di gestione ridotti grazie ad oltre 40.000 ore di funzionamento raggiunte con una manutenzione ordinaria. Qui il cambio di filtri e candele si rende necessario solo dopo 10.000 ore, mentre il cambio completo dell'olio motore avviene ogni 30.000 ore.
Di recente, poi lo stesso distributore italiano del colosso giapponese, Tecnocasa Climatizzazione, ha raggiunto un accordo con EC Power, un produttore danese leader a livello europeo di impianti di cogenerazione nella classe di potenza da 6 a 20 kWe presenti in oltre 10 Paesi europei, per la vendita di due microcogeneratori, XRGI 15 (che produce 15 kW elettrici e 30 kW termici) e XRGI20 (che produce 20 kW elettrici e 40 kW termici).
 
 
Gamma di EC Power XRGI

 
 
Il motore Stirling
Tra i più affidabili e collaudati sistemi c'è il motore Stirling. Si tratta di un sistema chiuso che lavora grazie a una differenza di temperatura, la quale fa muovere due pistoni posti all'interno del motore stesso, con la funzione di trasformare il movimento lineare alternato in un moto rotatorio, con un'efficienza del 10-20%. La maggior parte dei motori Stirling necessitano di poca manutenzione, non producono particolare rumore e possono funzionare tranquillamente 24 ore su 24 senza la necessità di fornire aria.
Un grande vantaggio del ciclo Stirling è rappresentato tutt'ora dalla totale assenza di valvole o dispositivi di immissione ed estrazione del fluido, pertanto le uniche parti in movimento sono i pistoni e l'albero di trasmissione, che però non risultano sottoposti a particolari stress termomeccanici, con conseguente scarsissima richiesta di manutenzione per tali motori. Un motore Stirling non prevede combustione al suo interno, pertanto gli stress termomeccanici risultano estremamente ridotti e questo consente di minimizzare la richiesta di manutenzione.
La quantità di calore fornita da un motore Stirling è circa 2-10 volte maggiore rispetto all'elettricità prodotta, per cui tali motori sono ideali per case o edifici grandi, vecchi o comunque non ben isolati dal punto di vista termico. D'estate, quando la richiesta di calore è più bassa (mentre quella di elettricità rimane uguale), alcuni modelli di Stirling semplicemente smettono di produrre calore in eccesso, mentre altri si accendono e spengono in maniera automatica in base alla temperatura della casa, per cui non hanno il tempo di produrre molta elettricità.
 
Applicazioni in ciclo Stirling
Tra le varie applicazioni, Viessmann ha presentato Vitotwin 300-W che unisce un motore Stirling lineare a pistone libero in abbinamento ad una caldaia a condensazione. Vitotwin 300-W riesce ad erogare 0,99 kW di energia elettrica e 6 kW di energia termica con un rendimento complessivo del 107 %, calcolato sul potere calorifico inferiore del gas metano. In aggiunta alle potenze sopra indicate è da considerare il contributo di 20 kW termici che è in grado di erogare la caldaia a condensazione di supporto per complessivi 26 kW termici.
Vitotwin 300-W è capace di erogare 0,99 kW di energia elettrica e 6 kW di energia termica con un rendimento complessivo del 107 %, calcolato sul potere calorifico inferiore del gas metano. Andando a calcolare il coefficiente "Primary energy saving" come descritto nel DM 4 Agosto 2011 si arriva poi ad un valore superiore al 26 %, e dunque in assetto cogenerativo ad alto rendimento.
Dalle simulazioni effettuate e dai risultati ottenuti risulta infatti che l'installazione di questo dispositivo possa portare a tempi di rientro dell'investimento di 6 - 7 anni.
 
 
Viessmann Vitotwin 300-W

 
 
Microturbine a gas e celle a combustibile
Negli ultimi anni anche la tecnologia delle microturbine a gas è diventata interessante per la piccola cogenerazione. La produzione di energia elettrica deriva dalla fase di espansione dei gas di combustione che si realizza in turbina (il lavoro meccanico viene tradotto in energia elettrica da un generatore connesso con l'asse della turbina) mentre il recupero di calore interessa i gas di combustione scaricati dal sistema (che raggiungono temperature che partono da 450°C).
I cogeneratori con microturbina a gas richiedono, per il loro funzionamento, oltre alla turbina, la presenza: di un compressore dove viene alimentata l'aria comburente al fine di aumentarne pressione e temperatura; una camera di combustione in cui l'aria compressa viene miscelata al combustibile ed avviene la combustione; un generatore che trasforma in elettricità l'energia meccanica prodotta in turbina attraverso l'espansione dei gas di combustione; una caldaia alimentata con i gas scaricati dalla turbina che produce vapore.
I vantaggi derivano prevalentemente dall'elevata vita utile, dalla ridotta manutenzione e dalla scarsa rumorosità. Tra le controindicazioni nell'utilizzo di microturbine a gas troviamo i rendimenti elettrici relativamente bassi, la necessità di utilizzare combustibili pregiati (gas, oli leggeri) per evitare fenomeni di sporco e corrosione delle palette della turbina.
Tra i maggiori esempi di microturbine per la cogenerazione troviamo Capstone declinato nel suo modello con potenza 30 kW. Questo tipo di turbina (C30) è in grado di produrre, una potenza elettrica massima di 30 kW e 85kW di potenza termica. Esso funziona sia in modo autonomo sia interconnessa con la rete elettrica nazionale. A pieno regime consente un'efficienza elettrica del 26%.
 
Microturbina Capstone C30

 
 
Tra le tecnologie emergenti c'è anche l'applicazione delle celle a combustibile in impianti di cogenerazione di piccola taglia. Si tratta di un dispositivo elettromeccanico che converte l'energia chimica del combustibile direttamente in elettricità, senza stadi intermedi di combustione e produzione di lavoro meccanico.
In collaborazione con il partner americano Plug Power, il produttore di caldaie e boiler Vaillant ha sviluppato una caldaia a celle a combustione, destinata ad uso domestico per il mercato europeo. Anche il Fraunhofer-Institut für Solare Systeme (ISE) tedesco lavora all'integrazione di celle a combustibile nei sistemi di riscaldamento domestici e negli aggregati compatti per gli edifici passivi. Proprio quest'ultima applicazione di celle a combustibile è molto promettente, perché la potenza richiesta è bassa, mentre l'impiego delle celle in sistemi per altri edifici abbisogna di una fonte di calore ausiliare.
La soluzione proposta da Vaillant ha una potenza elettrica pari a 4.6 kWe ed una potenza termica pari a 7 kWt per un rendimento elettrico del 35% e complessivo dell' 80%.


 
Cogeneratore fuel cell Vaillant

 
 
Anche il Gruppo Baxi già da tempo ha investito da tempo nelle applicazioni con celle a combustibile. Il Gamma 1.0, l'innovativa caldaia a celle a combustibile, rappresenta l'evoluzione tecnologica del sistema tradizionale di riscaldamento e produzione di acqua calda, a cui affianca la capacità di generare elettricità. Alimentata con metano, Gamma 1.0 è delle stesse dimensioni di una caldaia tradizionale e fornisce circa tre quarti dell'elettricità richiesta in un anno. Nello stesso tempo, è studiata per coprire il 100% del fabbisogno di riscaldamento domestico, che può essere utilizzato come e quando necessario grazie a un'unità di accumulo del calore.
Il cuore della caldaia è costituito da una pila di celle a combustibile a bassa temperatura che funziona a 70°C. Tale pila è progettata per garantire un funzionamento in modo continuo per oltre 20.000 ore. In combinazione con un reformer di gas metano, la pila scinde il metano presente nel gas naturale nei suoi elementi costitutivi per generare un gas di processo ricco di idrogeno. Grazie all'arricchimento con l'ossigeno ricavato dall'aria, avviene una "combustione a freddo" che genera simultaneamente calore ed elettricità. Un inverter trasforma quindi la corrente continua generata elettrochimicamente in corrente alternata, consentendo così di immetterla nella rete elettrica a 230V.
Gamma 1.0 ha una potenza di 1 kW elettrico (che copre il carico medio di un'abitazione con un'utenza di 4-5 persone) e di 1,7 kW termici, a cui si aggiunge una potenza di 20 kWth fornita dal generatore ausiliario integrato al suo interno.
 
Baxi Gamma 1.0 Innotech

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