MICRO-COGENERAZIONE A CELLE A COMBUSTIBILE

PREMESSA

Solitamente l’energia elettrica e l’energia termica che utilizziamo quotidianamente sono prodotte in maniera separata:

• l’elettricità proviene in buona parte dalle grandi centrali termoelettriche;
• il calore viene prodotto tipicamente attraverso caldaie convenzionali.

 

Grazie alla “cogenerazione” si ha la possibilità di ottenere una produzione combinata di elettricità e di calore da un unico impianto.

 

In funzione della potenza elettrica gli impianti di cogenerazione si possono suddividere in unità di Piccola cogenerazione (Potenza max. < 1 MWe) Media cogenerazione (Potenza max. < 10 MWe) e Grande cogenerazione (Potenza max. ≥ 10 MWe) come illustrato nell’immagine a seguire.

In particolar modo, si definisce l’unità di “micro-cogenerazione”, come una unità con capacità di generazione massima inferiore a 50 kW elettrici così come definito dal D.Lgs. 20/2007.

Esistono diverse tipologie di impianti di cogenerazione, tra i principali quelli con motore a combustione interna a quelli con ciclo combinato, con turbine a gas od a vapore e con Fuel Cells (Celle Combustibili).

 

LE CELLE A COMBUSTIBILE

Le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici in grado di convertire l’energia elettrochimica di un combustibile (in genere idrogeno) e dell’ossigeno direttamente in enrgia elettrica e termica, senza la presenza di un ciclo termico, ottenendo quindi rendimenti di conversione più elevati rispetto alle macchine convenzionali.

Le celle a combustibile (fuel cell) sono sistemi di conversione dell’energia che produce energia elettrica fino a quando viene fornito combustibile; non è quindi una batteria che eroga l’energia accumulata.

I componenti di una cella a combustibile sono:

• elettrodi: fungono da siti catalitici per le reazioni di ossido-riduzione;
• elettrolita: ha la funzione di condurre gli ioni prodotti da una semi-reazione e consumati dall’altra;
• circuito esterno: attraverso il quale fluiscono gli elettroni coinvolti nella reazione elettrochimica

MICRO-COGENERAORE A CELLE A COMBUSTIBILE

Un micro-cogeneratore a celle a combustibile genera elettricità e calore dal gas naturale sfruttando una reazione elettrochimica, senza combustione.

Funziona costantemente (24/7), se si prende un impianto da 1,5 kW di potenza elettrica si può generare fino a 13.140 kWh l’anno e fino a 200 l di acqua calda al giorno.

In media un impianto di micro-cogenerazione da 1,5 kW elettrici ha un tempo di ritorno dell’investimento di circa 6/7 anni e risulta incentivabile in molti casi (l’impianto è comparabile ed allineato ad un fotovoltaico da 10-12 kW).

AMBITI DI APPLICAZIONE

Considerando sempre un impianto da 1,5 kW elettrici le strutture potenzialmente interessanti devono avere i seguenti 2 requisiti:

• “base-load” costante di almeno 1,5 kW elettrico consumato;
• consumi annui > 20.000 kWh elettrici.

La figura a seguire illustra il profilo di prelievo di una realtà manifatturiera; dall’analisi si evince come vi sia un consumo “fisso” di almeno 5 kW anche con realtà produttiva ferma (si veda per esempio la giornata festiva del 28 Ottobre).

Una realtà come quella appena analizzata si presta bene all’installazione di un micro-cogeneratore; in questo caso una possibile soluzione potrebbe essere quella di installare più unità in modo da eliminare il prelievo costante di potenza elettrica (anche in questo caso l’autoconsumo di energia elettrica sarebbe del 100 %).

Le strutture ideali risultano pertanto essere:

• scuole;
• banche;
• condomini (con più di 20 appartamenti);
• centri sportivi;
• grandi abitazioni;
• aziende e uffici;
• piscine;

CASE HISTORY

Viene riportato ora un caso concreto di installazione di un micro cogeneratore a celle combustibile assumendo le seguenti ipotesi iniziali:

• consumo gas naturale micro-cogeneratore: 0,25 m³/h
• costo del gas naturale: 0,45 €/m³ (IVA esclusa);
• costo dell’energia elettrica: 0,20 €/kWh (IVA esclusa);
  • Costo operativo orario: 0,11 €/ora (0,45 €/m³ x 0,25 m³/h)
  • Produzione oraria:1,5 kWh elettrici
  • Costo kWh prodotto: 0,075 €/kWh (0,11 €/h / 1,5 kWhel)
• il cliente autoproduce en. elettrica a 0,075 €/kWh invece di acquistarla dal fornitore a 0,20 €/kWh;
• ogni giorno dispone di 200 l di acqua calda a 70 °C;
• risparmia combustibile della sua caldaia o non acquistandolo dal teleriscaldamento;
• prolunga la vita della sua caldaia grazie al minor utilizzo;

Il bilancio economico finale porta quindi ai seguenti risultati:

• Produzione annua energia elettrica: 140 kWh/anno
• Risparmio annuo energia elettrica: 628 €/anno
• Produzione annua energia termica: 518 kWht/anno
• Risparmio annuo energia termica: 370 €/anno
• Consumo annuo gas naturale: 190 m³/anno
• Costo annuo gas naturale: 876 €

 

RISPARMIO TOTALE: circa 4.000 €/anno (compreso di benefici fiscali)

COSTO INVESTIMENTO: circa 19.000 €

TEMPO DI RITORNO INVESTIMENTO: circa 5 anni

 

VANTAGGI DI UN MICRO-COGENERATORE

• funziona costantemente (24/7) ad 1,5 kW di potenza elettrica, generando fino a circa 13.000 kWh l‘anno e fino a 200 l di acqua calda al giorno;
• funziona indipendentemente dalla stagione, cioè dal fabbisogno termico;
• raggiunge il più alto livello di efficienza elettrica al mondo (60%); è più efficiente delle convenzionali centrali elettriche;
• presenta delle dimensioni contenute;
• permette al cliente di ridurre i suoi costi di energia e le emissioni di CO2 del 50%, rendendosi indipendente dall‘aumento dai costi di elettricità;
• è integrabile in quasi ogni sistema di riscaldamento esistente;
• presenta bassi costi di manutenzione;
• è costantemente monitorato e gestito da remoto via internet;
• è supportato da incentivi;
• è un sistema silenzioso e senza vibrazioni.