Logica dei Sistemi

La generazione di energia da fonti termiche rinnovabili

Nell’immaginario collettivo oggi sono molto presenti, come impianti di energia da fonti rinnovabili, il fotovoltaico e l’eolico. Le ragioni di questo successo sono molteplici e sono dovute anche, probabilmente, al grande impatto visivo che hanno tali impianti: un generatore eolico da 1 MW o un impianto fotovoltaico della stessa potenza sono chiaramente visibili, mentre un sistema di generazione a biogas o a biomasse, ad esempio, non desta particolare curiosità allo sguardo.

In questo articolo affronteremo il tema delle centrali a biomasse, a biogas, geotermiche e a concentrazione solare trattando la parte che hanno in comune: il sistema di conversione dell'energia termica in energia elettrica.

Tutte e quattro le tipologie funzionano secondo lo stesso principio, sebbene abbiano cicli termodinamici differenti: la generazione di energia elettrica dal calore. Poiché la conversione del calore in energia elettrica non è totale (in genere se ne converte intorno al 20-25%) rimane ancora molto calore da utilizzare e per questo tali impianti, molto spesso, sono impiegati come cogenerazione, ossia produzione contemporanea di elettricità e di calore. Mediante appositi sistemi questi impianti possono arrivare anche alla trigenerazione, ossia alla produzione contemporanea di energia elettrica, di calore e di raffrescamento.

Questi sistemi godono di un meccanismo di incentivazione e di agevolazioni fiscali che li rendono molto interessanti.

Il ciclo termodinamico tipico

Il ciclo termodinamico che viene in genere seguito da queste macchine è basato sull’utilizzo di una pompa che mantiene attivo un circuito idraulico dove scorre un fluido con il compito di trasportare il calore. Quale che sia la fonte utilizzata per riscaldare tale fluido (calore geotermico, energia solare concentrata, combustione di biogas o biomasse), questo viene vaporizzato in un apposito evaporatore e fatto espandere in una turbina. La turbina è collegata ad un generatore elettrico e produce, quindi, elettricità. Il vapore in uscita dalla turbina viene condensato in un apposito condensatore, dopo il quale è pronto per iniziare di nuovo il ciclo attraverso la pompa.

Grazie allo scambio di calore con la fonte di riscaldamento nell’evaporatore e poi con il fluido di raffreddamento che attraversa il condensatore, il ciclo termodinamico viene ripetuto continuamente portando così una produzione di energia elettrica e di calore continue.

La generazione di calore mediante combustione

A seguito del protocollo di Kyoto e, comunque, in generale, in base ai vari allarmi sul rischio del cambiamento climatico dovuto all’effetto serra, la generazione di calore mediante combustione viene vista, da molti, come “inquinante” perché immette anidride carbonica nell’atmosfera. In realtà, nei casi che andremo a considerare, l’anidride carbonica immessa si bilancia con quella sottratta: bruciare della legna produce, al massimo, l’anidride carbonica è stata assorbita dalla pianta durante la sua vita.

Il rischio di cambiamento climatico dovuto all’effetto serra introdotto dall'anidride carbonica deriva dal fatto che, bruciando combustibili fossili, si sta immettendo nell’aria nel giro di un centinaio di anni l’anidride carbonica sequestrata nel sottosuolo nell’arco di milioni di anni, sbilanciando drasticamente e in tempi brevi (rispetto alla vita del pianeta) la concentrazione di CO2 nell’atmosfera.

Possiamo quindi affermare che, scegliendo opportunamente il combustibile, il bilancio di anidride carbonica sarà sostanzialmente in pareggio.

Le due forme di combustione che ci interessano sotto questo punto di vista sono quelle derivanti da biomassa e biogas.

La generazione di calore mediante biomassa

Una prima tipologia molto importante e facilmente comprensibile di generazione di calore è quella che si può ottenere mediante la combustione di “biomassa”. Per biomassa si intende (ai sensi della legislazione comunitaria e nazionale) “La parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani”.

Sebbene la definizione includa un'incredibile gamma di materiali, il primo pensiero va in genere alla combustione di legname. Grazie alla combustione (di legname o di altro materiale tra quelli prima elencati) è possibile produrre calore.

Il calore prodotto sarà utilizzato, come descritto nel paragrafo precedente, per produrre energia elettrica.

Data la natura dei prodotti utilizzati nella combustione, le ceneri risultanti hanno un impatto ambientale non dannoso anzi, in moltissimi casi, possono essere riutilizzate, ad esempio, come concimi o altro.

In funzione della tipologia di biomassa si dovrà utilizzare la tecnologia più adatta per valorizzarne la resa energetica al massimo possibile, tenendo conto anche degli usi finali prevalenti dell’energia prodotta (che può essere impiegata, si ricorda, sia per generare energia elettrica sia per produrre energia termica).

La combustione diretta della biomassa, in caldaie appositamente progettate, ne produce un’ossidazione ad alta temperatura che diventa, praticamente, totale.

Altri processi ossidativi quali la gassificazione, la pirolisi e la carbonizzazione, possono essere utilizzati per produrre dei prodotti combustibili più puri da bruciare in un passaggio successivo.

Un aspetto da non trascurare (ma che sarà considerato in articoli successivi) è quello della gestione dei fumi di combustione.

La generazione di calore mediante biogas

La generazione di calore mediante biogas (costituito in prevalenza da metano e anidride carbonica) si basa sulla fermentazione batterica anaerobica di materiale organico di origine vegetale e animale.

In pratica, dalla decomposizione batterica (come già detto si tratta di un processo di fermentazione anaerobica) si ricava il biogas che, dato l’alto tenore di metano,presenta un elevato potere calorifico.

Anche in questo caso è importante tenere in considerazione i prodotti della combustione, soprattutto i fumi. Di questo argomento tratteremo, però, in articoli successivi.

La generazione di calore senza combustione

Un’altra modalità di generazione del calore è quella che non presuppone una combustione ma si basa su fonti termiche normalmente esistenti in natura: l’energia termica presente nel sottosuolo e l’energia solare.

Nel primo caso parleremo di sorgenti di calore geotermiche e nel secondo tratteremo degli aspetti legati alla concentrazione della luce solare.

La generazione di calore mediante geotermia

Nel sottosuolo di alcune regioni sono presenti formazioni rocciose ad elevata temperatura già ad una profondità facilmente raggiungibile. Sfruttando l’energia termica di tali zone è possibile produrre calore in maniera continuativa e senza alcun prodotto di scarto (se non il calore in eccesso estratto e non utilizzato).

Pur esistendo da oltre cinquant'anni, in Italia si sta diffondendo di recente una tecnologia colto interessante detta geotermia a bassa entalpia. la particolarità della geotermia a bassa entalpia risiede nel fatto che si può realizzazre quasi ovunque, con un impatto ambientale trascurabile, consentendo risparmi sulle spese di riscaldamento, di produzione di acqua calda sanitaria e di raffrescamento che arrivano anche al 70-80% rispetto alle tecnologie tradizionali.

Per approfondire l'argomento si può consultare la sezione di geotermia su questo sito.

La generazione di calore mediante concentrazione dell’energia solare

Un’altra tipologia di fonti di calore si può ottenere concentrando l’energia solare mediante specchi su apposite caldaie. Ciò può avvenire sia concentrando il sole su un punto unico sia mediante concentrazione distribuita su tubature poste su specchi di opportuna conformazione.

Un impianto di questo tipo, basato sulla concentrazioni distribuita dell’energia solare, avente taglio da 1 MW, necessita di una superficie di quasi 4 ettari tra specchi concentratori e generatore. Una centrale fotovoltaica analoga occupa uno spazio pari a circa la metà.

Come la centrale fotovoltaica, l’impianto funziona in presenza di sole. A differenza di una centrale fotovoltaica, l’impianto, può includere altre forme di generazione di calore (ad esempio da biomassa) e avere una produzione continuativa nell’arco dell’intera giornata.

Conclusioni

La generazione di energia elettrica mediante sfruttamento di fonti di calore può essere annoverata, in base alla fonte di calore utilizzata, tra le energie da fonti rinnovabili. Sebbene i cicli termodinamici utilizzati presentino delle differenze, il principio fondamentale è lo stesso ed è possibile creare anche dei sistemi ibridi che consentano lo sfruttamento contemporaneo o alternato di più tipologie di fonti di calore.

A seconda della fonte di calore utilizzata, un impianto può occupare uno spazio molto piccolo (ad esempio un generatore a biomassa che utilizzi stearina di palma) o anche molto grande (ad esempio un generatore a concentrazione solare) a parità di potenza.

Logica dei Sistemi dell’ing. Luca Lezzerini può aiutarvi nell’iter di studio di fattibilità e poi, eventualmente, di realizzazione dell’impianto, fornendovi un punto di vista indipendente e qualificato, prima condizione indispensabile affinché il vostro investimento abbia successo. Se ritenete opportuno approfondire la questione, potete contattarci, senza alcun impegno da parte vostra.