Un cogeneratore un po' particolare

Giorni fa ho visitato l'installazione di un cogeneratore un pò diversa dal solito.
L'impianto si trova presso il Centro Sportivo del Cus Roma  a Tor di Quinto (Roma) e consiste in un cogeneratore della CPL Concordia da 60 kW elettrici e 120 termici che viene utilizzato, oltre che per produrre una parte dell'energia elettrica necessaria al Centro Sportivo, per riscaldare l'acqua della piscina.

La particolarità di questo impianto consiste nel fatto che il combustibile che alimenta il cogeneratore (un classico motore a ciclo Otto) è gas metano miscelato ad idrogeno.
L'idrogeno è prodotto in loco da un impianto di elettrolizzazione alimentato con l'energia elettrica prodotta da un impianto fotovoltaico presente nel Centro.

L'impianto è stato realizzato dell'Università la Sapienza di Roma sotto la direzione del prof. De Santoli e viene utilizzato come laboratorio per verificarne le condizioni di funzionamento con diverse percentuali di idrogeno, fino ad un massimo del 30%.
L'elettrolizzatore utilizza 5 kWh per produrre un Nmc di idrogeno ed il sistema si occupa anche di miscelare l'idrogeno al metano nella percentuale voluta (durante le prime prove stava funzionando al 5% di idrogeno).
Nelle prime prove la temperatura di uscita dell'acqua era limitata a 65 °C e la potenza elettrica a 25 kW con una temperatura dei fumi di circa 450 °C.
Naturalmente il cogeneratore recuperava calore dall'acqua di raffreddamento del motore, dall'olio lubrificante e dai fumi di scarico.
Con la miscelazione dell'idrogeno al metano si abbatte la produzione di CO2 visto che l'idrogeno non genera CO2 mentre brucia, anche se il potere calorifico inferiore della miscela è minore, quindi anche il motore rende meno.
Essendo un laboratorio dell'Università la sua funzione sarà soprattutto quella di verificare il funzionamento di questo sistema e le sue potenzialità, perchè la convenienza di un sistema che usa l'energia prodotta dal fotovoltaico, quando c'è, per produrre idrogeno che viene utilizzato da un cogeneratore per produrre energia elettrica (!?) non mi sembra il massimo della convenienza (a parte la riduzione di CO2).

L'idrogeno nell'autotrazione

Discutevo giorni fa con un caro amico (importante professore nel campo dell'energetica) sulla possibilità di utilizzo dell'idrogeno come combustibile da utilizzare nell'autotrazione.
Ci si riferiva all'uso nelle cella a combustibile, naturalmente, visto che l'uso dell'idrogeno nei motori a combustione interna a ciclo Otto al posto del gas metano non viene più preso in considerazione praticamente da nessuno (ci ha provato la BMW ed ha lasciato perdere ed ora circolano una decina di Fiat Panda alimentate ad idrometano, miscela di metano con il 30% di idrogeno su cui credo sia il caso di stendere un velo pietoso).
Secondo il mio amico la soluzione a celle a combustibile era eccezionale in termini di resa e di convenienza economica.
Gli ho fatto notare che l'idrogeno è un memorizzatore di energia, va prodotto, non si trova in natura e, quindi, per produrlo era necessaria energia elettrica (tralasciamo i reformer) e da qualche parte la dovevamo prendere questa energia per produrre idrogeno che ci sarebbe servito per produrre energia elettrica.... In più c'era il problema della pericolosità dell'idrogeno come gas.
A perte il fatto che secondo lui l'idrogeno non è assolutamente pericoloso (!?!) e poi l'energia elettrica per produrre l'idrogeno si poteva produrre con il fotovoltaico.
Visti le posizioni molto distanti (e visto che si tratta di un caro amico) la discussione è terminata così, però mi è rimasta in testa questa idea del fotovoltaico per produrre l'energia necessaria alla produzione dell'idrogeno e ho voluto provare a fare quattro conti (tanto per tenere in movimento il cervello...).
Ho preso in considerazione un'auto di media categoria con un motore di 75 kW (circa 102 CV); se consideriamo il suo funzionamento a pieno regime (mi si passi qualche approssimazione) se funziona per 2 ore consuma 150 kWh.
Per produrre 1 mc di idrogeno con l'elettrolisi sono necessari circa 5 kWh, mentre il rendimento medio di una cella a combustibile è intorno al 50%.
Questo significa che 1 mc di idrogeno produce in auto circa 2,5 kWh, quindi per viaggiare 2 ore ho bisogno di 60 mc di idrogeno, cioè di 300 kWh di energia elettrica per produrli.
Diciamo che l'auto la uso tutti i giorni dell'anno, avrò quindi bisogno di circa 110000 kWh.
Per produrre questa quantità di energia con un impianto fotovoltaico (in regime di scambio sul posto) in una zona del centro Italia servono circa 80 kWp con una superficie di 560 mq che, in piano occupano circa 1120 mq.
Tralasciamo il costo di un impianto del genere (ed i tempi di ritorno dell'investimento) ma già lo spazio occupato rende la soluzione impraticabile (per un privato).
Magari si può pensare di produrre l'idrogeno con l'energia elettrica prodotta durante la notte e non utilizzata, questo sarebbe un discorso più accettabile, ma rimarrebbero i problemi di stoccaggio o, comunque di infrastrutture da creare ad hoc.
Insomma io la soluzione dell'idrogeno per l'autotrazione la vedo davvero come molto lontana nel tempo (sempre che si metta in pratica), vedo molto più vicina quella delle erev le auto ad autonomia estesa che utilizzano un motore a combustione interna per ricaricare le batterie quando queste  sono scariche.

Incentivi e Conto Energia

Sta montando, e c'era da aspettarselo, il problema dei costi troppo alti del Conto Energia, cioè l'incentivo che lo Stato concede a chi installa un impianto fotovoltaico e che è funzione della quantità di energia effettivamente prodotta.
Effettivamente fino ad ora l'incentivo concesso è stato veramente alto tanto da rendere un vero affare, dal punto di vista strettamente finanziario, la realizzazione di un impianto fotovoltaico.
Questo, in un paese come l'Italia, ha portato alle classiche speculazioni con realizzazione di impianti enormi su terreno della potenza di svariati MW; impianti realizzati con il solo scopo di fare cassa con gli incentivi e con la vendita di energia (lo spirito della legge doveva essere un altro...).
Io sono contrario a questo tipo di impianti perché: 1) vanno contro il concetto di "generazione distribuita" di energia, cioè produrre energia dove serve senza trasmetterla in rete su grandi distanze; 2) creano problemi alla rete elettrica nazionale con continui variazioni di grandi potenze (si pensi ad un impianto da 10 MW che passa dal sole all'ombra...); 3) utilizzano il terreno che potrebbe (e dovrebbe...) essere lasciato alle coltivazioni; 4) si mangiano gran parte degli incentivi che vengono tolti agli impianti più piccoli realizzati sulle coperture e per coprire il fabbisogno delle singole utenze (cioè generano il problema della mancanza di fondi di cui si diceva all'inizio).
Con il nuovo Conto Energia, in uscita in questi giorni, la situazione dovrebbe un poco migliorare, visto che, da quello che è dato sapere, gli incentivi dovrebbero diminuire e dovrebbero favorire gli impianti realizzati sulle coperture a discapito di quelli a terra.
Io mi chiedo, però, se non sarebbe stato meglio impostare l'incentivo in modo completamente diverso fin dall'inizio, cioè, invece di dare un incentivo per 20 anni con un valore tale da far ripagare l'impianto in circa 8-9 anni come avviene ora, penso che sarebbe stato più giusto dare un incentivo più alto, magari tre volte tanto, per un periodo più breve.
In questo modo dopo 3 anni l'impianto sarebbe stato ripagato e l'incentivo si poteva limitare a 4 anni, questo avrebbe portato ad un più rapido rientro delle spese ed a un minor costo complessivo per lo Stato.
L'utente avrebbe comunque avuto l'impianto ripagato senza la speculazione legata ai 12 anni di incentivo in più di cui attualmente si usufruisce dopo il rimborso pieno del costo dell'impianto.
Una minore convenienza economica avrebbe evitato le speculazioni rendendo comunque conveniente la realizzazione per un utente che sfrutta l'impianto per coprire i propri consumi.
Ma forse così era troppo semplice.....

Auto ibride: il passaggio dal termico all'elettrico

Parlando di energia legata alla autotrazione vorrei spendere due parole sulle auto ibride.
Credo che sia indispensabile passare da questa soluzione per arrivare alla trazione elettrica, visto lo stato della ricerca nel campo degli accumulatori e la necessità, in tempi più o meno brevi, di abbandonare l'uso di combustibili derivati dal petrolio.
Leggevo oggi che le previsioni più rosee per avere la disponibilità di accumulatori veramente efficienti per alimentare auto esclusivamente elettriche sono di almeno dieci anni ed in questi anni la transizione dai combustibili classici alla trazione puramente elettrica va in qualche modo gestita.
Non si può pensare di avere un'auto elettrica con una autonomia di 100? 150? Km e dei tempi di ricarica di 8 ore.
Con l'ibrido l'auto continua a funzionare a benzina (o gasolio), ma il suo funzionamento è assistito ed ottimizzato da un motore elettrico che entra in funzione quando quello termico ha rendimenti più bassi, ad esempio durante le forti accelerazioni (sorpassi) o le salite.
Queste auto sono poi in grado di recuperare l'energia che andrebbe persa durante le decelerazioni o le frenate, sfruttandola per ricaricare gli accumulatori che altrimenti sarebbero ricaricati dal motore termico (sia chiaro che il primo principio della termodinamica vale sempre.... l'energia la posso trasformare, ma non la posso creare nè distruggere).
Applicazioni tipiche di queste architetture sono la Prius della Toyota e la Insight della Honda che, con sistemi diversi, abbinano un motore elettrico, di diverse dimensioni e potenze, ad un motore termico, quest'ultimo incaricato della trazione (eventualmente in abbinamento con il motore elettrico).
Soluzione diversa, e secondo me molto interessante, è quella della General Motors, o Opel in europa, che con la Volt affronta il problema in modo completamente diverso.
In questo caso la trazione è puramente elettrica: è esclusivamente il motore elettrico incaricato della trazione, con una autonomia di circa 60 Km, quindi tale da coprire le necessità di un utente medio che è stimato percorra dai 30 ai 50 Km al giorno.
Nel caso si debbano percorrere più chilometri entra in funzione un motore termico a benzina da 1400 cc con la sola funzione di ricaricare gli accumulatori, in questo modo l'auto può continuare a viaggare sempre con la sola trazione elettrica; gli accumulatori si potranno ricaricare con comodo alla prima occasione in cui si avrà a disposizione una alimentazione elettrica ed il tempo necessario.
In questo modo nell'uso quotidiano si potrà usare la sola trazione elettrica con evidenti risparmi in termini economici e ambientali (sulla valutazione di questi risparmi me ne occuperò con un post dedicato), ma si avrà sempre la possibilità di percorrere tutti i chilometri che si vuole fermandosi dal benzinaio a fare il pieno per il motore termico incaricato della ricarica degli accumulatori.
A soluzioni di questo tipo stanno pensando anche altri costruttori abbinando al motore elettrico o motori a ciclo Diesel o motori a ciclo Wankel, questi ultimi particolarmente indicati vista la loro leggerezza e compattezza e l'ottimo rapporto peso potenza che permetterebbe di avere un generatore elettrico molto compatto (anche se i Wankel qualche problemino di affidabilità ancora lo hanno).

Raffreddare con il sole

Volevo accennare alla possibilità di produrre freddo utilizzando l'energia solare, non tramite moduli fotovoltaici con i quali produrre energia elettrica utilizzata per il funzionamento di una pompa di calore o una comune macchina frigorifera, mi riferisco all'uso di pannelli solari termici che, con il loro calore alimentano una macchina frigorifera ad assorbimento.
Personalmente reputo il sistema, anche se realizzabile (ci sono delle applicazioni funzionanti) piuttosto complesso e costoso, quindi non molto conveniente rispetto ad altri sistemi, ad esempio l'accoppiata fotovoltaico-pompa di calore.
Senza scendere nei dettagli tecnici, vista la temperatura di funzionamento di una macchina ad assorbimento, sopra gli 80°C, diventa dura riuscire a produrre tanto calore e per un tempo abbastanza prolungato da poter alimentare convenientemente un sistema di questo tipo.
E' vero che il freddo prodotto in questo modo non costa nulla, ma l'impianto costa e molto....
Più interessante si fa il discorso se l'impianto che si va a servire necessita anche di calore, visto che il risultato del funzionamento della pompa di calore è proprio calore ad alta temperatura (sarebbe quello asportato a bassa temperatura per ottenere il freddo).
Se serve questo calore, ad esempio per produrre acqua calda o nel postriscaldamento degli impianti di condizionamento, allora il sistema diventa più conveniente economicamente (anche se si complica ancora un pò).
Certo che l'idea di produrre freddo quando c'è molto caldo (ed i pannelli solari termici funzionano al massimo) è un'idea invitante.

Pompe di calore vs Caldaie a condensazione

Negli ultimi anni le caldaie a condensazione hanno praticamente soppiantato le tradizionali caldaie (non a condensazione per intenderci) grazie al loro rendimento che, a basse temperature, raggiunge valori elevati.
Nel campo del riscaldamento a bassa temperatura, quindi per temperature non superiori ai 40°, questo tipo di caldaie sta trovando un valido concorrente nelle pompe di calore idroniche, cioè quelle che producono acqua calda utilizzabile nei normali impianti di riscaldamento a pannelli radianti, gli unici che possono lavorare a bassa temperatura (28-29 °C).
Il motivo di questa concorrenza è dato da una serie di fattori, il primo dei quali è senza dubbio, il minor costo a kWh termico prodotto.
Per quanto a prima vista possa sembrare strano che il riscaldamento ottenuto utilizzando l'energia elettrica, con la quale sono alimentate le pompe di calore, possa essere più conveniente di un equivalente riscaldamento ottenuto utilizzando gas, bisogna ricordare che le pompe di calore non utilizzano l'effetto Joule per riscaldare, ma l'energia presa a bassa temperatura e portata a temperatura più alta utilizzando proprio il funzionamento della pompa di calore (naturalmente continua a valere il secondo principio della termodinamica...).
Proviamo a fare due conti: consideriamo di voler produrre 100 kWh termici con una pompa di calore e con una caldaia a condensazione.
Cominciamo con una caldaia a condensazione a cui si può assegnare, realisticamente, un rendimento del 95% (ottimistico); questo significa che per produrre 100 kWh termici ho bisogno di circa 105 kWh che devono essere prodotti dal gas bruciato in caldaia. Questo significa avere bisogno di circa 10,5 Nmc di gas metano, considerando un costo medio del gas di 0,65 €/Nmc si ottiene una spesa di circa 6,82 €.
Le pompe di calore attualmente in commercio hanno un COP (diciamo l'efficienza della macchina) intorno a 4, che significa che fornendo 1 kWh elettrico ne ottengo 4 termici.
Per ottenere 100 kWh termici avrò quindi bisogno di 25 kWh elettrici da fornire alla macchina, ad un costo medio di 0,2 €/kWh elettrico si ottiene una spesa pari a 5 €, quindi risparmio, rispetto alla caldaia a condensazione 1,82 € ogni 100 kWh termici prodotti.
In realtà la convenienza delle pompe di calore non si ferma qui, per chi progetta si deve considerare che, non avendo a che fare con il gas, una pompa di calore non ha bisogno di una centrale termica e quindi non ha bisogno del certificato di prevenzione incendi dei Vigili del Fuoco, né di tutta la documentazione legata alle pratiche ISPESL e questo, per chi fa questo mestiere, è un vantaggio enorme.
Se poi uno l'energia elettrica se la produce da solo, ad esempio con un impianto fotovoltaico, la convenienza è ancora maggiore.

Riscaldare con il sole

In questo post vorrei accennare alla possibilità di riscaldare un'abitazione sfruttando l'energia solare.

Non mi riferisco all'uso dei pannelli solari termici abbinati ad una caldaia a condensazione; reputo questo sistema, per quanto reclamizzato dalle aziende che vendono pannelli solari termici, un sistema troppo costoso e complicato per i ritorni economici in grado di fornire.

Un sistema di questo tipo è realmente efficace poche ore al giorno in pochi giorni durante la stagione invernale, cioè quando riesce a riscaldare acqua a temperature pari o superiori a 40-45 °C, altrimenti il suo contributo al riscaldamento prodotto dalla caldaia è nullo.

I pannelli solari termici sono ottimi per produrre acqua calda sanitaria ed in questo sono validi tutto l'anno, anche quando, in inverno scaldano l'acqua di pochi gradi, perché in questo caso portano sempre un contributo positivo preriscaldando l'acqua che, in questo modo, entra in caldaia a temperatura più alta di quella di rete (10 - 12 °C), riducendo la quantità di energia termica che la caldaia deve fornire per portare l'acqua alla temperatura di servizio.

Per riscaldamento tramite energia solare intendo l'abbinamento tra impianti fotovoltaici e pompe di calore.

Il riscaldamento a bassa temperatura tramite pompa di calore è comunque conveniente rispetto all'uso di una caldaia a gas anche se ad alto rendimento e di questa convenienza parlerò in un post apposito, ma la presenza di un impianto fotovoltaico rende questa convenienza ancora maggiore permettendo di consumare il loco l'energia prodotta senza doverla acquistare dalla rete.

Si pensi alla soluzione di un condominio con un unico impianto fotovoltaico per tutte le unità abitative, la legge prevede ora l'obbligo di installare almeno un kWp per ogni unità abitativa ed è molto più semplice e conveniente realizzare un unico impianto per tutti gli alloggi e mandare l'energia elettrica prodotta sul contatore condominiale.

Allo stesso contatore, oltre alle normali utenze condominiali (luce delle scale, ascensore, ecc..) si collega anche la pompa di calore dedicata alla produzione di acqua calda per il riscaldamento (impianto centralizzato come prevedono le nuove normative).

Ai condomini verrà addebitato il costo del riscaldamento secondo i loro consumi calcolati da appositi contacalorie installati nelle loro abitazioni,  per la parte di consumo che eccede quanto autoprodotto dall'impianto fotovoltaico.

Quanto detto vale anche ed a maggior ragione per le singole abitazioni, tipo le villette unifamiliari, dove i calcoli per gli addebiti sono molto più semplici.

Per i condomini il ricavato dell'incentivo in Conto Energia potrebbe andare a coprire i costi di manutenzione del condominio stesso tipo le spese di giardinaggio, se previste, l'acqua condominiale o altre spese vive tipiche delle amministrazioni condominiali o suddiviso tra i condomini.

il maggior costo della pompa di calore rispetto alla caldaia a condensazioni si ripaga in pochi anni (la presenza dell'impianto fotovoltaico non è da considerare nei costi in quanto ormai obbligatoria per legge nelle nuove costruzioni).