Tecnologie di raffreddamento per cogenerazione e trigenerazione

La sostenibilità energetica è diventata un focus importante per l’industria: i processi di cogenerazione e trigenerazione offrono un’opportunità unica per soddisfare questa visione. Le tecnologie di raffreddamento per la cogenerazione e la trigenerazione rappresentano un abilitatore importantissimo: torri evaporative, dry cooler e raffreddatori adiabatici (o “dry cooler adiabatici”), concorrono in modo strutturale a questo ciclo produttivo combinato e, attraverso le loro singole caratteristiche tecniche, possono dare un boost importante all’efficienza dell’intero sistema.

Vediamo come e con quali specificità.

1. Impianti di cogenerazione e trigenerazione: in sintesi

Per definire bene l’ambito di applicazione, ecco un breve inquadramento sulla differenza tra cogenerazione e trigenerazione.

• La cogenerazione (figura sopra) è una tecnologia che permette di generare contemporaneamente energia elettrica e termica (solitamente in forma di vapore o acqua calda) da una singola fonte di combustibile, come ad esempio gas naturale o biomassa. In pratica, la cogenerazione consente di sfruttare in maniera più efficiente l’energia contenuta nel combustibile rispetto alla produzione separata di energia elettrica e termica.
• La trigenerazione (figura sopra), invece, consente di generare contemporaneamente energia elettrica, termica e refrigerazione (o aria condizionata) utilizzando una singola fonte di combustibile. Possiamo quindi dire che un impianto di trigenerazione sfrutta in maniera ancora più efficiente l’energia contenuta nel combustibile rispetto alla cogenerazione semplice: questo perché sfrutta una maggiore componente di calore, respinto dal processo di produzione di energia elettrica, per produrre anche caldo e freddo. Si riduce così l’utilizzo complessivo di energia di un edificio o di un’industria e si migliora l’efficienza complessiva del sistema.

È dunque chiaro che sia la cogenerazione che la trigenerazione migliorano l’efficienza energetica dei processi produttivi.

2. I componenti di un impianto di trigenerazione e le tecnologie di raffreddamento

Il processo di trigenerazione, che possiamo vedere come una estensione del processo di cogenerazione, si basa sull’efficiente utilizzo del calore residuo prodotto durante la generazione di energia elettrica per produrre anche energia termica e refrigerazione.

Occorre adesso soffermarci sulle macchine principali coinvolte nel processo di trigenerazione: questo faciliterà anche la comprensione dell’apporto giocato dalle tecnologie di raffreddamento.

1. Generatore o generatori a gas: sono alimentati dal combustibile (gas di scarico, metano, biometano, …) e vengono utilizzati per la produzione di elettricità. Producono però anche del calore di scarto.
2. Condensatore: è impiegato in molti impianti di power generation per condensare il vapore esausto di processo (ad esempio proveniente dalle turbine a vapore), e convogliarlo nuovamente allo scambiatore di calore.
3. Scambiatori di calore (o generatore di vapore a recupero di calore): è un componente essenziale nel processo di trigenerazione. Sono infatti i dispositivi che recuperano il calore disperso durante il processo di generazione dell’energia elettrica e lo trasferiscono all’utenza sotto forma di calore. Questo calore verrà poi utilizzato, a valle del processo, per scopi di riscaldamento o per la produzione di acqua calda sanitaria. Questo componente è presente anche nel processo di cogenerazione.
4. Chiller ad assorbimento: produce freddo basandosi sulla condensazione e sull’evaporazione. Ha un evaporatore ed una serpentina di raffreddamento che espande il refrigerante per produrre freddo. A differenza di un compressore meccanico, il chiller ad assorbimento impiega una fonte di calore alimentata direttamente da un bruciatore o indirettamente tramite vapore, acqua calda o calore di residuo (gas di combustione): questo può avvenire tramite trasformazioni di stato del fluido refrigerante (acqua) in combinazione con il bromuro di litio utilizzato come assorbente. Questo componente è presente unicamente nei processi di trigenerazione.

In questo complesso processo, le tecnologie di raffreddamento intervengono su due dei macchinari che compongono il ciclo di trigenerazione: il condensatore ed il chiller ad assorbimento, se condensato ad acqua:

1. Raffreddamento del condensatore: è una fase essenziale per consentire la condensazione del vapore esausto in acqua. Le tecnologie di raffreddamento vengono utilizzate per rimuovere il calore accumulato dal liquido di raffreddamento del condensatore durante il suo lavoro: l’acqua di raffreddamento, prelevata dalle batterie del condensatore, viene sottoposta a smaltimento del calore attraverso le varie tecnologie di raffreddamento (con processo evaporativo, a secco o adiabatico a seconda della specifica tecnologia utilizzata). Si tratta di una fase presente, come abbiamo visto, in molti processi di power generation e nei processi di cogenerazione e trigenerazione.

2. Raffreddamento del chiller ad assorbimento: l’acqua di raffreddamento utilizzata per condensare il refrigerante nel chiller ad assorbimento (sottolineiamolo nuovamente: in caso di chiller ad acqua e non ad aria) viene inviata al dispositivo di raffreddamento. Questo può essere, ad esempio, una torre evaporativa o un dry cooler adiabatico. Lì, l’acqua di raffreddamento viene esposta all’aria, favorendo lo scambio di calore e consentendo lo scambio termico per ricominciare il processo.

3. Trigenerazione più torri evaporative, raffreddatori adiabatici o dry cooler: differenze specifiche

Abbiamo visto che le tecnologie di raffreddamento intervengono in due fasi specifiche del processo di trigenerazione: il condensatore e il chiller ad assorbimento.

Ma quali tecnologie di raffreddamento preferire per questi scopi tra torri di raffreddamento evaporativo, dry cooler e raffreddatori adiabatici? Per rispondere a questa domanda, bisogna conoscere le caratteristiche strutturali e i vantaggi di ogni soluzione: gli stessi che possono essere sfruttati per ogni altro impianto industriale o civile.

I vantaggi specifici di ciascuna tecnologia di raffreddamento dipendono dalle esigenze dell’applicazione e dalle condizioni ambientali circostanti. Ecco una descrizione dei diversi vantaggi associati a ciascuna delle tecnologie di raffreddamento menzionate.

Torri evaporative o torri di raffreddamento.

• Elevata efficienza, grazie all’utilizzo di acqua nel sistema (e con l’evaporazione di una percentuale limitata dell’acqua stessa). Questo processo permette di raggiungere temperature di raffreddamento inferiori rispetto ad altre tecnologie con superfici delle macchine estremamente ridotte, soprattutto se confrontate con le seguenti soluzioni.
• Utilizzo di energia molto ridotto: poiché il processo di raffreddamento si basa principalmente sull’evaporazione dell’acqua, le torri evaporative richiedono meno energia rispetto ad altre tecnologie di raffreddamento.

Dry cooler industriali

• Zero uso di acqua: è un sistema interamente ad aria, per il 100% del tempo.
• Riduzione dei costi di gestione (non sono necessari, infatti, sistemi di controllo e trattamento dell’acqua).

Dry cooler adiabatici

• Ottimizzazione dell’uso di acqua ed energia: durante i periodi freddi, i raffreddatori adiabatici funzionano totalmente a secco, mentre nei periodi caldi poca acqua è utilizzata per pre-raffreddare l’aria esterna utile al raffreddamento. Il tutto è gestito, in maniera automatizzata ed ottimizzata, tramite un quadro di controllo con PLC.
• Miglior trade-off tra efficienza e risparmio di risorse, come effetto diretto di questa modalità di funzionamento “mista” e automatizzata.
• Riduzione dell’uso dell’acqua: rispetto alle torri evaporative, i dry cooler adiabatici richiedono naturalmente un quantitativo inferiore di acqua per il raffreddamento.

Si vede quindi come la scelta della tecnologia di raffreddamento più appropriata dipenda da fattori come l’efficienza energetica desiderata, le perfomance, la disponibilità di acqua, la capacità termica da smaltire, lo spazio a disposizione e l’ambiente operativo.

4. Raffreddamento “smart” negli impianti di cogenerazione e trigenerazione: software di selezione e risparmio di energia

La tecnologia del raffreddamento “smart” negli impianti di cogenerazione e trigenerazione può beneficiare dell’utilizzo di software di configurazione e risparmio di energia ed acqua. Grazie a queste soluzioni avanzate, è infatti possibile ottenere diverse informazioni e vantaggi.

Innanzitutto, una selezione ottimale per il singolo progetto di trigenerazione: i software di selezione per il raffreddamento negli impianti di trigenerazione consentono di valutare le temperature ambiente e di bulbo umido, fornendo dati fondamentali per un corretto dimensionamento e la corretta selezione tra le varie tecnologie in base alle loro caratteristiche. Efficienza ed ottimizzazione di risorse sono garantite nel modo più “oggettivo” possibile.

Questi software di configurazione, confrontando diverse tecnologie di raffreddamento in base alle specifiche di progetto, permettono anche un calcolo del ritorno sugli investimenti: una modalità ulteriore per prendere decisioni informate e ridurre i costi operativi.

5. In conclusione: le tecnologie di raffreddamento per cogenerazione e trigenerazione e l’efficienza energetica

La direttiva n°2004/8/CE della Commissione europea ha sottolineato l’importanza dei processi di cogenerazione e trigenerazione, ma è soprattutto negli ultimi anni che si è compreso l’urgente bisogno di utilizzare in modo ottimizzato, sostenibile e circolare le fonti energetiche.

Sostenibilità energetica ed economica, insieme all’efficienza dei processi industriali, possono essere raggiunte con la selezione dei corretti raffreddatori industriali per gli impianti di cogenerazione e trigenerazione: un obiettivo facilitato da programmi avanzati di calcolo e dalla disponibilità di una gamma vasta di sistemi di raffreddamento entro cui scegliere.