Impianti a cogenerazione con motori a combustione

I sistemi di cogenerazione con motori a combustione sono forse i sistemi più conosciuti. Si tratta di impianti costituiti da un motore primario a combustione, un generatore elettrico ed i correlati sistemi di recupero del calore.
In un normale cogeneratore con motore endotermico il calore viene recuperato da:
 

• Sistema di raffreddamento del motore;
• Recupero di calore dai gas di scarico.

  
I motori possono essere alimentati da combustibile gassoso come per esempio il gas metano o da biogas o, nei casi di utenze che richiedono il massimo della sicurezza in termini di funzionamento, a gasolio o combustibili liquidi naturali tipo bio-diesel. Essere in presenza di una macchina che utilizza combustibili liquidi annulla la possibilità di incorrere in un fermo macchina causato, ad esempio, da guasti sulle reti di distribuzione cittadine di gas. Si pensi ad esempio agli ospedali, per i quali è necessaria una fornitura continua di energia elettrica, soprattutto per i reparti sensibili quali: blocchi operatori, terapia intensiva, immunologia e molti altri.

Il vettore termico caldo prodotto dal raffreddamento delle camicie del motore e dai gas di scarico dello stesso viene utilizzati in vari modi:

• Impiego diretto dell’acqua calda;
• Utilizzo dell’acqua calda per la produzione di acqua refrigerata attraverso l’uso di gruppi frigoriferi ad assorbimento;
• Produzione di vapore pulito per diverse tipologie di utenze.

 

Tipologie di motori

I motori dei sistemi cogenerativi si suddividono principalmente in due categorie:

• Motori a gas a ciclo Otto;
• Motori a ciclo Diesel.

Nei motori a ciclo Otto il gas viene iniettato nei condotti di aspirazione miscelato con l’aria. In alcuni casi particolari e specifici, e quando vi sia la necessità di ridurre la formazione di NOx e aumentare il rendimento, è consigliabile aumentare la percentuale di aria nella miscela gassosa prima dell’immissione in camera di combustione.
Queste macchine sono caratterizzate da una pre-camera nella quale avviene la combustione di una miscela ricca, che successivamente entra nel cilindro all’interno del quale avviene la combustione della rimanente carica, nella quale è presente invece un eccesso d’aria.
Il rendimento di questi motori ad accensione comandata va dal 27% delle piccole unità, fino al 38% delle unità con potenze prossime ai 500 kWe, mentre i motori con potenze oltre 1 MWe hanno rendimenti cje raggiungono fino al 45%.

Nei motori a ciclo Diesel, il gas naturale viene miscelato con una piccola quantità di gasolio, variabile dall’1% al 10%, al fine di favorire l’autoaccensione della miscela dal momento che il gas naturale, avendo un buon potere antidetonante, è più idoneo ad essere utilizzato nel motore Otto.
Il gas naturale può essere iniettato a bassa pressione nel collettore di aspirazione mentre il gasolio viene  iniettato nel cilindro, oppure si può procedere con l’iniezione della miscela di gas naturale e gasolio ad alta pressione direttamente nel cilindro.
Nel primo caso la potenza deve essere ridotta all’80-95% per evitare il fenomeno della detonazione, se invece si prevede la compressione del gas è necessario considerare una perdita di potenza di circa il 6% a causa del consumo energetico del compressore.
 
Solitamente i motori che hanno potenze elettriche producibili superiori ai 200 kWe sono dotati di sovralimentazione caratterizzata da un turbocompressore alimentato con i gas di scarico.
La turbina trascina il compressore che ha lo scopo di alzare la pressione dell’aria aspirata nel cilindro, aumentandone la densità e, di conseguenza, incrementando la potenza del motore. Su questi motori viene installato dai produttori uno scambiatore di calore aggiuntivo, che è in grado di recuperare energia dall’intercooler nella sua fase di raffreddamento, aumentando quindi la quantità di calore utilizzabile per il riscaldamento o la refrigerazione.
 
I motori a combustione producono ossidi di Carbonio – CO, idrocarburi incombusti – HC  e ossidi di azoto – Nox, per i quali è necessario predisporre gli opportuni sistemi di abbattimento/trattamento dei fumi prima dell’immissione degli stessi in atmosfera. Tutti i componenti interposti richiedono tra l’altro un corretto dimensionamento, così da garantire che le perdite di carico complessivamente generate dagli stessi non superino la contropressione prodotta in uscita dai cilindri del motore.