Funzionamento di un impianto di trigenerazione, cos’è e quali sono i costi

La trigenerazione è la soluzione d'eccellenza per ottimizzare i processi di conversione energetica, raggiungendo livelli di efficienza impensabili nei sistemi convenzionali. La tecnologia di cui si avvale rappresenta l'evoluzione naturale dei sistemi di cogenerazione, introducendo un terzo vettore energetico che amplia significativamente il campo applicativo e il potenziale di risparmio.

Su scala globale, alla luce delle crescenti preoccupazioni ambientali e sui costi energetici in costante aumento, la trigenerazione è considerata la risposta tecnologica concreta alle sfide energetiche contemporanee, offrendo la possibilità di ridurre simultaneamente l'impatto ambientale e i costi operativi delle installazioni industriali e commerciali di media e grande dimensione.

La trigenerazione è il processo tecnologico avanzato che consente la produzione simultanea di tre diverse forme di energia utile – energia elettrica, energia termica ed energia frigorifera – a partire da un'unica fonte energetica primaria. Il concetto fondamentale alla base di questa tecnologia risiede nella capacità di recuperare e valorizzare il calore che verrebbe altrimenti dissipato nei convenzionali processi di generazione elettrica, convertendolo non solo in energia termica direttamente utilizzabile, ma anche in energia frigorifera attraverso processi termodinamici dedicati.

Il sistema trigenerativo si compone tipicamente di un motore primo, generalmente un motore a combustione interna alimentato a gas naturale, un generatore elettrico, un sistema di recupero termico e un gruppo frigorifero ad assorbimento. Il motore primo converte l'energia chimica del combustibile in energia meccanica, la quale viene successivamente trasformata in energia elettrica mediante il generatore. Durante questo processo, si genera una notevole quantità di calore che, anziché essere dispersa nell'ambiente come avviene nei sistemi convenzionali, viene recuperata attraverso scambiatori termici appositamente progettati.

Il recupero termico avviene principalmente da tre fonti: i gas di scarico ad alta temperatura, il circuito di raffreddamento del motore e il circuito di raffreddamento dell'olio lubrificante. L'energia termica così recuperata può essere direttamente utilizzata per soddisfare esigenze di riscaldamento ambientale o di processo industriale, generalmente sotto forma di acqua calda o vapore a diverse temperature e pressioni in funzione delle specifiche necessità applicative.

La componente frigorifera del sistema si realizza mediante l'impiego di gruppi frigoriferi ad assorbimento, dispositivi che utilizzano il calore recuperato dal motore primo per generare acqua refrigerata attraverso un ciclo termodinamico che sfrutta soluzioni di bromuro di litio o ammoniaca. Questi gruppi si differenziano dai tradizionali compressori frigoriferi poiché utilizzano prevalentemente energia termica anziché elettrica per il loro funzionamento, consentendo così un ulteriore incremento dell'efficienza complessiva del sistema.

A differenza di un impianto tradizionale, dove la combustione del carburante serve a produrre vapore per generare energia elettrica con una resa che oscilla tra il 30-55%, la trigenerazione permette di recuperare il calore normalmente disperso nell'ambiente e di impiegarlo per altre finalità. Questo recupero di calore porta a una significativa efficacia energetica, con una resa totale che può raggiungere il 65-90%.

Il funzionamento ottimale di un impianto trigenerativo si raggiunge quando esiste una corrispondenza adeguata tra la domanda delle tre forme energetiche e la capacità produttiva dell'impianto. Per questo motivo, la progettazione accurata e il dimensionamento appropriato del sistema risultano fondamentali per massimizzare i benefici economici e ambientali ottenibili. L'impianto deve essere concepito considerando attentamente i profili di carico elettrico, termico e frigorifero dell'utenza, nonché le loro variazioni stagionali e giornaliere.

I sistemi di controllo avanzati rappresentano un elemento cruciale negli impianti di trigenerazione moderni. Questi sistemi, basati su algoritmi sofisticati, consentono di ottimizzare continuamente il funzionamento dell'impianto, adattandolo alle variazioni di domanda energetica e massimizzando l'efficienza complessiva in ogni condizione operativa. Le tecnologie IoT (Internet of Things) e i sistemi di monitoraggio remoto permettono inoltre una gestione predittiva della manutenzione, riducendo significativamente i tempi di fermo impianto e incrementando l'affidabilità complessiva del sistema.

L'analisi economica di un impianto di trigenerazione richiede una valutazione articolata che consideri molteplici fattori di costo e beneficio, estendendo l'orizzonte temporale all'intero ciclo di vita dell'installazione. L'investimento iniziale costituisce indubbiamente la voce di spesa più significativa e rappresenta la principale barriera all'ingresso per questa tecnologia.

Il costo di capitale per un impianto trigenerativo varia considerevolmente in funzione della potenza installata, della configurazione specifica e del livello di personalizzazione richiesto. Indicativamente, per installazioni di media taglia (500 kW - 2 MW elettrici), l'investimento si colloca tipicamente nell'intervallo tra 1.000 e 1.800 euro per kW elettrico installato. Questa forbice si riduce progressivamente all'aumentare della potenza dell'impianto, beneficiando delle economie di scala tipiche delle installazioni di maggiori dimensioni.

La composizione dell'investimento si articola in diverse componenti: il motore primo e il generatore elettrico rappresentano circa il 40-45% del costo totale, il sistema di recupero termico incide per il 15-20%, il gruppo frigorifero ad assorbimento per il 15-25%, mentre la restante quota comprende i sistemi ausiliari, le opere civili, i sistemi di controllo e automazione, e i costi di progettazione e installazione.

Ai costi operativi vanno ascritte le spese di manutenzione ordinaria e straordinaria, il consumo di combustibile e i costi assicurativi. La manutenzione di un impianto trigenerativo richiede interventi programmati che, mediamente, comportano una spesa annua variabile tra il 4% e l'8% dell'investimento iniziale, in funzione della tecnologia adottata e dell'intensità di utilizzo del sistema. Il costo del combustibile rappresenta generalmente la voce più significativa tra i costi operativi, incidendo per circa il 70-80% del totale.

Il tempo di ritorno dell'investimento costituisce un parametro fondamentale per valutare la convenienza economica di un impianto trigenerativo. Questo indicatore, che rappresenta il periodo necessario affinché i risparmi cumulati eguaglino l'investimento iniziale, varia tipicamente tra i 3 e i 6 anni per installazioni ben dimensionate e opportunamente gestite. Tale variabilità dipende significativamente dal differenziale di prezzo tra l'energia elettrica acquistata dalla rete e il combustibile utilizzato nell'impianto, nonché dall'intensità di utilizzo del sistema e dalla valorizzazione dell'energia termica e frigorifera prodotta.

Un'analisi economica completa deve considerare anche i risparmi fiscali derivanti dalla riduzione delle accise sul combustibile utilizzato in impianti cogenerativi, nonché gli eventuali incentivi pubblici disponibili, quali i Titoli di Efficienza Energetica (Certificati Bianchi) o altri meccanismi di supporto alle tecnologie ad alta efficienza energetica. Questi elementi possono migliorare significativamente la redditività dell'investimento, riducendo ulteriormente il tempo di ritorno.

La variabilità dei costi energetici rappresenta un fattore di rischio da considerare attentamente nella valutazione economica. L'andamento futuro dei prezzi dell'energia elettrica e del gas naturale può influenzare notevolmente la convenienza dell'impianto nel medio-lungo termine. Per mitigare questo rischio, è consigliabile condurre analisi di sensitività che valutino la robustezza dell'investimento rispetto a diversi scenari di evoluzione dei prezzi energetici.

La distinzione fondamentale tra cogenerazione e trigenerazione risiede nel numero di vettori energetici utili prodotti simultaneamente a partire dalla medesima fonte primaria. Mentre la cogenerazione si limita alla produzione combinata di energia elettrica e termica, la trigenerazione estende questo concetto introducendo la generazione di energia frigorifera come terzo output utilizzabile.

Dal punto di vista strutturale, un impianto di trigenerazione può essere concettualizzato come un sistema cogenerativo al quale viene integrato un gruppo frigorifero ad assorbimento. Questo componente aggiuntivo consente di convertire parte dell'energia termica recuperata in energia frigorifera, ampliando significativamente la flessibilità operativa del sistema e le possibilità di ottimizzazione energetica.

La flessibilità stagionale rappresenta uno dei vantaggi più significativi della trigenerazione rispetto alla cogenerazione. Mentre i sistemi cogenerativi tradizionali vedono ridurre drasticamente la loro efficienza durante i mesi estivi, quando la domanda di energia termica per riscaldamento diminuisce considerevolmente, gli impianti trigenerativi possono mantenere elevati livelli di efficienza convertendo il calore recuperato in energia frigorifera per il condizionamento ambientale o per processi industriali.

L'efficienza globale di un impianto trigenerativo può raggiungere valori eccezionalmente elevati, fino all'85-90% dell'energia primaria introdotta, superando i già notevoli rendimenti dei sistemi cogenerativi (tipicamente 75-85%). Questo incremento di efficienza si traduce in una ulteriore riduzione delle emissioni di CO₂ per unità di energia utile prodotta, rafforzando il profilo di sostenibilità ambientale di questa tecnologia.

Gli ambiti applicativi ottimali per le due tecnologie presentano significative differenze. Mentre la cogenerazione trova la sua applicazione ideale in contesti caratterizzati da una domanda significativa e costante di energia elettrica e termica, come determinati processi industriali o complessi residenziali in clima freddo, la trigenerazione esprime il suo massimo potenziale in situazioni dove esiste una domanda significativa di tutte e tre le forme energetiche, tipicamente strutture del terziario avanzato o industrie con necessità di refrigerazione di processo.

Dal punto di vista della complessità impiantistica e gestionale, la trigenerazione richiede generalmente competenze tecniche più avanzate rispetto alla cogenerazione, sia in fase di progettazione che durante l'esercizio. La presenza del gruppo frigorifero ad assorbimento e dei relativi sistemi ausiliari introduce ulteriori variabili da considerare nella gestione ottimale dell'impianto, richiedendo sistemi di controllo e automazione più sofisticati.

Il rapporto costo-beneficio delle due tecnologie varia significativamente in funzione del contesto applicativo specifico. Sebbene la trigenerazione comporti un investimento iniziale superiore rispetto alla cogenerazione, la maggiore flessibilità operativa e l'utilizzo più efficiente dell'energia primaria possono giustificare ampiamente il sovracosto in situazioni caratterizzate da una domanda significativa di energia frigorifera. Diversamente, in contesti dove la domanda di raffreddamento è limitata o assente, la cogenerazione rappresenta generalmente la soluzione economicamente più vantaggiosa.

Scegliere tra cogenerazione e trigenerazione significa basarsi su un'analisi dettagliata dei profili di carico energetico dell'utenza, considerando non solo la situazione attuale ma anche le possibili evoluzioni future. Un'attenta valutazione tecnico-economica, supportata da simulazioni dettagliate del comportamento del sistema nelle diverse condizioni operative stagionali, rappresenta lo strumento fondamentale per identificare la soluzione ottimale per ciascuna specifica applicazione.