Cogenerazione con pompe di calore aiutano eolico e fotovoltaico

[Roberto Deboni DMIsr]

Avevo gia' accennato tempo fa, di come le tecnologie basate
sull'energia solare possono trovare un utile complemento
nei sistemi di cogenerazione.

Infatti, i sistemi di cogenerazione, la cui ratio sta nella
produzione combinata di elettricita' ed energia, vengono
"attivati" in pieno solo d'inverno, a parte una quota
per la fornitura di calore per l'acqua calda sanitaria,
che avviene tutto l'anno. Ma la realta' e' che oggi, con le
pompe di calore per l'acqua calda, terminato l'inverno,
anche per tale uso, i sistemi a cogenerazione hanno gli
anni contati, salvo nelle zone scandinave, insomma dove
anche d'estate non fa molto caldo.

In ogni caso, gia' alla latitudine dell'Italia settentrionale,
le tecnologie del solare soffrono di un calo di produzione
durante l'inverno. Ma proprio d'inverno abbiamo un secondo
(seppure, attualmente, minore) picco della domanda elettrica.
Ma l'attivazione invernale dei sistemi di cogenerazione, arriva
come il cacio sui maccheroni, coprendo il buco nella offerta
elettrica, che altrimenti si crea.

Oggi pero' abbiamo una espansione della produzione da fonti
intermittenti come l'eolico ed il fotovoltaico. Nello
specifico, l'eolico d'inverno puo' dare delle sorprese, con
giornate di produzione esagerata. Avendo l'eolico la
precedenza, oppure se in un regime di mercato crolla il
prezzo orario, avviene che la cogenerazione si trova a non
potere piu' vendere la sua energia elettrica, perche' esuberante.
Se la cogenerazione non vende energia elettrica, cade la
ragione del suo utilizzo, ovvero se l'energia elettrica
diminuisce, il sistema di cogenerazione, se puo', deve
ridurre la sue generazione. Ma questo significa ridurre
anche l'uscita di calore. La cui domanda pero' non cala se
c'e' vento (anzi, forse aumenta :-).

Ed e' qui che entrano in gioco le pompe di calore a
livello di impianti di teleriscaldamento (la cogenerazione
a cui mi riferisco e' quella di impianti di potenza da
intorno al megawatt in su' e quello si sfrutta solo con
il teleriscaldamento). Cosa accade ? Arriva l'eolico, che
taglia, ad esempio, 100 della domanda della cogenerazione ?
Supponiamo che a fronte di quel 100, l'impianto produceva
altrettanto in calore, quindi altri 100 termici.
Nella ipotesi che la pompa di calore si trovi in condizioni
(per temperatura aria esterna, etc.) di COP = 3, ad esempio,
l'impianto a cogenerazione taglia la sua produzione solo
togliendo solo 75, e quel 25 che resta di elettrico, viene
usato per alimentare la pompa di calore che produce 75
di calore. Dato che a 25 elettrico, la cogenerazione produce
ancora 25 di termico, sommando i 75 termici generati dalla
pompa di calore distrettuale, abbiamo salvato i 100 termici
richiesti. Risultato, siamo riusciti a tradurre l'arrivo
dell'energia eolica in un risparmio di combustibile
nell'impianto di cogenerazione nella proporzione ridotta
necessaria per operare a solo 25 unita' rispetto a 100
(se la differenza fosse proporzionale, diremo che abbiamo
risparmiato il 75% di combustibile, non male).

Parafrasando potremo anche dire che per la condizione di
mercato pervenuta, il costo dell'elettricita' e' crollata
a tal punto da rendere redditizio il funzionamento delle
pompe di calore, rispetto all'utilizzo diretto del combustibile
per scaldare.

Ma attenzione, in passato, proprio per il nucleare, in vari
paesi settentrionali, si era avviata la pratica di sfruttare
l'energia nucleare in esubero (cosa che avveniva quando la
domanda scendeva e non si voleva "rallentare i reattori",
dato che il basso costo del combustibile nucleare non dava
un reale vantaggio economico a "rallentarli") per accumulare
calore. Si sfruttava il fatto che il calore si puo'
facilmente accumulare a costi unitari modesti. Poi questo
calore (che potremo definirlo economicamente come "grasso che
cola") veniva passato agli impianti di teleriscaldamento
quando la domanda lo richiedeva. Ebbene, tale tecnica si
puo' incorporare nella soluzione a pompa di calore, per
abbinare a quanto descritto anche una funzione di regolazione
della rete a protezione dalle "intemperanza" eoliche.
Cioe', ogni volta che nella rete si creano esuberi dalla
produzione, entrano in funzione le pompe di calore (ovviamente
di potenza modulabile a richiesta) per "catturare" gli esuberi
di energia eolica (che altrimenti andrebbero persi), per
trasformarli in calore ed accumularli a disposizione del
sistema di teleriscaldamento. Ovviamente si tratta sempre
delle stesse pompe di calore che servono anche ad ottimizzare
il sistema di cogenerazione.

Ovviamente gestire tutto questo (ed anche tempestivamente) e'
chiaramente complicato, richiede di studiare buoni algoritmi
per equilibrare i vari generatori e motori e smistare
gli accumuli secondo necessita', ma oggi l'automazione permette
agevolmente di fare questo ed altro.

Si tratta di ragionare con parsimonia, sfruttando al massimo
ogni chilowattora possibile nel momento piu' opportuno,
senza sperpera nulla. Insomma un ragionamento "scandinavo".
Non si tratta di "risparmiare", si tratta di "non sprecare"
che e' cosa totalmente diversa.

Ma cosa piu' importante, almeno durante l'inverno, la combinazione
di queste tecniche permette di "spianare" le rischiose
intermittenze eoliche, senza la necessita' di impegnare grosse
capacita' in batterie chimiche (la cui vita e' direttamente proporzionale
ai cicli operativi, quindi se l'abile uso delle proposto sopra
delle pompe di calore permette di limitare i cicli delle stazioni
di accumulatori, e' tutto di guadagnato in termini di costi di
sostituzione delle batterie). Ovviamente questo dove/quando non
c'e' sufficiente capacita da impianti di pompaggio.

Un paese che ha usato molto le pompe di calore durante la
fase del boom nucleare, e' stata la Svezia, con una capacita'
di grosse pompe di calore collegate agli impianti di riscaldamento
per una somma di 1500 MW termici, con le piu' grosse unita' di
50 MW di potenza. Roba alla pari dei grossi motori diesel navali.
Notare che meta' delle minori (meno di 10 MW) sono state
decomissionate nel tempo. Ed anche un 20% di quelle intermedie
(tra 10-30 MW). Ma tutte quelle grosse (30-50 MW) sono ancora
tutte operative. Infatti, prima dell'arrivo dell'eolico, il fattore
di scala era determinante. In 30 anni di funzionamento il COP
medio e' stato di 3,3 e oggi sono capaci di assorbire fino a
400 MW dalla rete elettrica.

Nelle citta' una fonte di calore ulteriore presa in considerazione e'
quella delle acque nere (fognature).
Anche in inverno la loro temperatura varia tra 12 e 20 Celsius.
Ebbene il 17% in Svezia e' combinato con il teleriscaldamento e
sono le pompe di calore e rendere quel calore "sfruttabile"
(dovendo alimentare la rete a 87 Celsius, occorre innalzare
la temperatura del calore recuperato dalle acque nere).
In Svezia, il calore fornito dalle menzionate pompe di calore, e'
per quasi la meta' ottenuto dalle acque nere ... meditate.
NB: il calore delle pompe di calore si aggiunge a quello della
cogenerazione, e non e' la principale fonte per il teleriscaldamento.
Ma il suo apporto non e' disprezzabile.

Nella esperienza svedese, la soglia di convenienza del calore di
teleriscaldamento da pompe di calore era per un prezzo industriale
della elettricita' tra 3 e 4 centesimi al kW*h. Al di sopra di
tale tariffa, e' piu' conveniente operare i sistemi di cogenerazione.
La tassazione dell'energia elettrica ovviamente abbassa tale soglia,
ovvero il costo industriale deve essere piu' basso perche' convenga
il calore da pompe di calore.

In quanto alla durabilita' (intorno ai 30 anni), il punto debole si e'
rivelato essere lo scambiatore di calore tubiero. La soluzione trovata
e' costruirlo con leghe di titanio.

Si puo' fare, si fa, e mostra come ci sono tanti modi per risolvere
lo stesso problema.