Macchine Alimentari

Produzione alimentare, energia a basso impatto ambientale

Gli impianti di cogenerazione e trigenerazione sono realtà per molte aziende alimentari. Presentano notevoli vantaggi economici, ecologici ed energetici, consentendo di produrre energia a prezzi più convenienti, aumentando l’efficienza energetica dell’impianto, abbassando i consumi e recuperando il calore che altrimenti sarebbe dissipato. Tutto questo, abbattendo in modo significativo le emissioni di CO2 nell’atmosfera, in linea con le recenti normative

Sono molte le aziende alimentari che stanno facendo ricorso ad impianti di cogenerazione, trigenerazione. Questo per diversi motivi, soprattutto ambientali ed economici, ma anche normativi. Nelle centrali termoelettriche e nelle caldaie tradizionali si generano emissioni di sostanze inquinati gassose, quali ossidi di azoto, di zolfo, anidride carbonica, idrocarburi, e non gassose come il particolato, che contribuiscono in maniera determinante all’effetto serra.  In campo normativo, il Decreto 102 del 4 luglio 2014 impone alle aziende obiettivi precisi in materia di riduzione del fabbisogno energetico, indicando anche le sanzioni in caso di inadempienza.  In particolare, le riduzioni nell’utilizzo di combustibili fossili possono essere ottenute sia ricorrendo a fonti di energia rinnovabili, sia aumentando l’efficienza dei sistemi di utilizzazione e di generazione dell’energia, come la cogenerazione e la trigenerazione, caldeggiate anche dal Parlamento Europeo quali tecnologie in grado di soddisfare il raggiungimento degli obiettivi del Protocollo di Kyoto.

La cogenerazione

Co-generare vuol dire produrre insieme energia. Si parla in particolare di cogenerazione (CHP, ovvero Combined Heat and Power), per la produzione combinata di energia elettrica e termica in uno stesso impianto. E’ possibile produrre entrambi i tipi di energia attraverso un unico impianto, alimentato da una sola fonte di energia primaria, che può essere ad esempio il metano, il biodiesel o le biomasse. La cogenerazione è tanto più conveniente ed efficace quanto più il fabbisogno termico è esteso su più turni di lavoro e/o almeno per 3500 ore annue per consumi termici, frigoriferi ed elettrici elevati in contemporanea. La cogenerazione si rivela quindi un’ottima soluzione per le aziende alimentari, che utilizzano energia elettrica e termica in grandi quantità, su più turni lavorativi. I benefici della cogenerazione sono sia ambientali, che energetici ed economici. Confrontando l’efficienza di un impianto di cogenerazione, rispetto alla produzione di energia elettrica in centrali termoelettriche e di calore dalle caldaia, risulta che la cogenerazione ha un consumo di combustibile inferiore del 30-40%. Si ha, quindi, una notevole riduzione delle emissioni di gas serra, in particolare CO2, dovuta al minor consumo di combustibile fossile. L’azienda è anche meno dipendente dalle fonti fossili. Inoltre, l’utilizzo di fonti rinnovabili mette in moto un sistema incentivante dei regimi fiscali agevolati, come la defiscalizzazione del metano. Gli impianti di cogenerazione ad alto rendimento, di potenza superiore a 200 kW, possono vendere elettricità alla rete. Inoltre, questi impianti possono beneficiare dei Titoli di Efficienza Energetica, i cosiddetti Certificati Bianchi. La cogenerazione ottimizza l’utilizzo di energia prodotta, in quanto, quasi tutta l’energia termica non si disperde nell’ambiente come avviene coi tradizionali impianti ma viene recuperata e riutilizzata. Solitamente, in una centrale termoelettrica, solo il 35% circa del combustibile è trasformato in energia elettrica. Ciò vuol dire che ben il 65%, viene disperso nell’ambiente sotto forma di calore, ovvero energia termica. I grandi motori hanno un’efficienza maggiore ma che in ogni caso non supera il 55%. Lo motore quando produce in cogenerazione riesce a dare coefficienti che raggiungono anche l’85%. Gli impianti di cogenerazione evitano che questo grande quantitativo di energia venga sprecato, con un conseguente risparmio economico, grazie alla produzione di energia a costi più bassi e la possibilità di usufruire di incentivi. Gli impianti di cogenerazione sono centrali termoelettriche, dove l’acqua calda o il vapore di processo prodotti da un motore primo alimentato da un combustibile fossile (gas naturale, olio combustibile) o da combustibili organici non fossili (biomasse, biogas, gas di sintesi), sono recuperati per la produzione di energia termica, molto utilizzata nelle industrie alimentari. Il motore viene collegato con un generatore elettrico che produce energia elettrica. Nei cilindri, nell’olio lubrificante e nei gas di scarico viene generato calore che normalmente verrebbe disperso nell’ambiente. In un impianto di cogenerazione invece, viene recuperato e convertito in energia termica attraverso degli scambiatori di calore. La cogenerazione in generale si dimostra adatta anche in quei casi in cui vi è un problema di spazio, perché un impianto solo svolge il lavoro di due.

Tecnologie di cogenerazione

Le diverse tecnologie di un impianto di cogenerazione si basano sui motori primi. Quelli maggiormente utilizzati e consolidati in impianti di cogenerazione sono essenzialmente i motori a alternativi combustione interna, le turbine a gas, le turbine a vapore e gli impianti che combinano turbina a gas e a vapore. Nei motori alternativi a combustione interna (ciclo Diesel o ciclo Otto), il calore deriva dai gas di scarico e dal liquido di raffreddamento del corpo motore. Nelle turbine a gas, il combustibile viene bruciato in camere di combustione e fatto espandere insieme ad aria compressa nella turbina stessa. Durante l’espansione, la miscela di aria e combustibile, interagisce con le palette della turbina facendo ruotare il rotore e generando energia meccanica, utilizzata per produrre energia elettrica mediante un alternatore. I fumi esausti provenienti dai gas nella turbina hanno una temperatura che si aggira attorno ai 450-500°C. Grazie a scambiatori di calore possono essere utilizzati per produrre acqua calda o vapore. Il rendimento di un impianto di cogenerazione di questo tipo è dell’88% circa. Nelle turbine a vapore, invece, il vapore è prodotto da un generatore e fatto espandere all’interno della turbina, ad alta pressione. E’ il vapore in questo caso a far girare il rotore per produrre energia meccanica, che viene convertita in energia elettrica da un alternatore. Questo ciclo può essere anche combinato con una turbina a gas, dando vita ai cosiddetti cicli combinati. In questo caso, il calore recuperato dai fumi di scarico della turbina a gas sono utilizzati in uno scambiatore per generare il vapore che alimenta la turbina a vapore. Le turbine a vapore e cicli combinati hanno potenze elevate e per questo utilizzate per impianti industriali. Non ci sono solo tecnologie tradizionali, ma anche innovative, quali i turbogeneratori ORC (Organic Rankin Cycle), le microturbine, gli impianti con motori Stirling e le celle a combustibile. I turbogeneratori ORC sono turbine simili a quelle a vapore, ma invece del vapore utilizzano l’olio diatermico vaporizzato dal calore proveniente da una caldaia oppure da collettori solari. L’olio diatermico in uscita dalla turbina cede calore per i diversi processi industriali, mentre quando viene raffreddato ritorna all’evaporatore, completando il ciclo termodinamico. Questi impianti sono utilizzati in aziende medio piccole e possono essere alimentati a biomassa. Sono caratterizzati da un elevato rendimento elettrico (18%) e termico (80%), bassa manutenzione e una lunga vita operativa. Di contro, sono abbastanza ingombranti e operano dai 200 kW in su, non risultando adatti per la micro-cogenerazione. Le microturbine sono l’ideale per la mini e micro-cogenerazione, poiché vanno da meno di 1 kW di taglia fino a decine o centinaia di kW. Utilizzano il gas naturale, il propano, il gasolio, il cherosene, il biogas. Hanno un rendimento elettrico del 25-35% e, rispetto ai motori a combustione interna, sono silenziose, meno inquinanti, hanno meno parti in movimento e quindi a rischio di usura, ma sono più costose. I gas, scaricati a temperature superiori a 250°C, sono recuperati per produrre i vapore o acqua calda.  Le celle a combustibile, o pile a combustibile o fuel cells, producono elettricità grazie ad una reazione elettrochimica a partire da idrogeno e l’ossigeno presente nell’aria. Le celle a combustibile sono molto silenziose, hanno zero emissioni inquinanti e sono compatte, il che le rende adatte alla mini e micro-cogenerazione. Il rendimento di una cella a combustibile è compreso fra il 40 e il 60%. In un motore Stirling è un motore a combustione, in cui il calore è fornito dall’esterno attraverso uno scambiatore. Il rendimento complessivo, dato dal rendimento termico ed elettrico, è molto elevato ed arriva anche al 90%. Questi motori sono silenziosi e necessitano di poca manutenzione. Di contro sono ancora molto costosi ed ingombranti. I motori Stirling possono essere accoppiati a processi di gassificazione, consentendo l’utilizzo di biomasse come combustibile per la produzione di gas da utilizzare nella camera di combustione. In questo caso, le emissioni di CO2  si annullano, rendendo il processo ancora più ecocompatibile.

La cogenerazione fotovoltaica

Un particolare tipo di cogenerazione, ancora più green, è quella fotovoltaica. In questo caso, una quota dell’energia solare non utilizzata nei processi fotovoltaici viene recuperata, sotto forma di energia termica o luminosa. L’acqua calda può essere utilizzata come per un normale impianto solare termico per produrre acqua calda sanitaria o per impianti di riscaldamento a bassa temperatura. Anche in questo caso, si aumenta il rendimento complessivo dell’impiantistica, dato che il rendimento di un impianto di cogenerazione solare fotovoltaico-termico somma il 15% circa che normalmente raggiunge la generazione fotovoltaica ad un rendimento di circa il 58% dovuto al recupero e utilizzo del calore, che altrimenti verrebbe dissipato. Si ha anche un miglioramento complessivo delle prestazioni del fotovoltaico, in quanto il sistema fotovoltaico-termico raffredda il modulo fotovoltaico facendo aumentare la sua produzione elettrica anche fino al 12% in più. Inoltre la massima temperatura nel collettore è inferiore a 90°C evitando il problema della stagnazione e dell’ebollizione estiva, tipico di un impianto solare termico tradizionale. L’elevato rendimento permette tempi di rientro per l’investimento di soli 3-4 anni.

La trigenerazione

Un’evoluzione della cogenerazione è la trigenerazione (CCHP  Combined Cooling, Heating and Power), ovvero la produzione contemporanea di energia elettrica, termica e frigorifera da un unico impianto e utilizzando un solo combustibile. Un trigeneratore è un impianto di cogenerazione con abbinato un gruppo frigorifero ad assorbimento, per produrre freddo sotto forma di acqua refrigerata, per usi industriali. Le unità frigorifere ad assorbimento sono progettate per l’impiego di acqua calda o surriscaldata come fonte primaria di energia. Esse non emettono gas che alterano il clima e quindi sono ad impatto zero. L’abbinamento ad un cogeneratore consente l’utilizzo di calore che altrimenti sarebbe disperso nell’ambiente.  Il gruppo frigorifero ad assorbimento produce acqua refrigerata a una temperatura intorno ai 7°C in linea con le esigenze della maggior parte degli impianti frigoriferi. L’acqua refrigerata è utilizzata o per il condizionamento estivo ambientale, civile e industriale, o grazie ad un alternatore, può servire per la produzione di energia elettrica rinnovabile.