Cogenerazione e trigenerazione, Evoluzione degli assorbitori

Esigenza basilare dell'industria alimentare è la creazione di ambienti freddi, a temperature differenti in funzione delle esigenze produttive, di conservazione delle materie prime e dei prodotti.

Sempre più frequentemente poi gli impianti si vanno dotando di apparecchiature che sfruttano cascami termici di varia natura, come recuperi di calore di scarto dal ciclo produttivo o scarichi di calore da impianti di cogenerazione, ormai diffusi in diversi settori industriali.

Ci concentreremo in questa sede proprio su questi ultimi, che hanno visto una evoluzione tecnologica importante in questi ultimi anni, grazie proprio agli assorbitori, apparecchiature idonee alla produzione di freddo a temperature davvero inimmaginabili sino a pochi anni or sono.

Cogenerazione e trigenerazione

La cogenerazione è la produzione combinata di energia elettrica e termica. Un impianto può essere definito "di Cogenerazione" quando soddisfa alcuni presupposti: realizza un risparmio di energia primaria rispetto alle soluzioni alternative (acquisto di energia elettrica dalla rete + caldaia); utilizza inoltre il processo termodinamico più razionale per convertire l'energia potenziale di un combustibile, grazie alla generazione "simultanea ed in cascata" di energia meccanica/elettrica e termica.

La sua estensione alla produzione di energia frigorifera prende il nome di Trigenerazione e trova applicazione in tutte quelle realtà in cui il calore reso disponibile dal cogeneratore non viene sfruttato dal processo produttivo oppure ciò avviene soltanto parzialmente.

La cogenerazione, nell'ambito della efficienza energetica, vanta una posizione di tutto rilievo (seconda) in termini di investimenti in Italia, se confrontata con le altre tecnologie (Figura 1).

Alla base del funzionamento di un Co-Trigeneratore sta, per le applicazioni industriali medio piccole al di sotto del MW, un motore endotermico (un motore a pistoni funzionante a gas naturale), mentre più raramente, per le applicazioni di nostro interesse, una turbina a gas.

Il vapore e l'acqua surriscaldata vengono prodotti sfruttando il calore ad alta temperatura che viene estratto dai fumi di scarico del motore, difficile però da ottenersi in quantità significativa con un motore endotermico. Ben maggiore quantità (più della metà del calore prodotto dall'impianto) deriva dall'acqua di raffreddamento del motore, quindi prossima ai 90°.

Per sfruttare quindi il calore appieno, bisogna necessariamente trovare un impiego di acqua a temperatura modesta.

Come già accennato, la trigenerazione è considerata una estensione della cogenerazione, infatti si definisce un impianto "di Trigenerazione" quando, in assenza di una domanda adeguata di calore, utilizza (in tutto o in parte) l'energia termica cogenerata per generare energia frigorifera con una macchina chiamata frigorifero ad assorbimento (Figura 2).

Il principale vantaggio è costituito dalla possibilità di estendere il periodo di funzionamento del cogeneratore alla stagione estiva (i vantaggi economici, energetici e ambientali sono infatti strettamente legati al numero di ore di funzionamento). È una soluzione indicata preferibilmente per taglie elevate, dove la maggiore complessità dell'impianto viene "compensata" su di una potenza producibile maggiore.

Spesso conviene ampliare il campo operativo aggiungendo nel sistema trigenerativo oltre a un frigorifero ad assorbimento anche un sistema a compressione (frigorifero/pompa di calore) o un accumulatore di ghiaccio.

In altri termini, nel caso in cui l'energia termica (calore) non trovi utilizzo completamente nel processo industriale o venga utilizzata solo per riscaldamento di ambienti (quindi a bassa temperatura), la si può inviare ad un assorbitore che utilizza questo calore come potenza termica in entrata ed è in grado di generare acqua fredda atta a creare ambienti alle temperature necessarie ai diversi utilizzi (raffrescamento ambienti operativi, refrigerazione) con un rendimento (grado di sfruttamento del combustibile immesso, chiamato COP) piuttosto basso se paragonato ai frigoriferi a compressione, ma spesso conveniente.

Gli assorbitori

Gli assorbitori, apparecchiature già molto collaudate (la loro invenzione risale alla seconda metà dell'800), sono state concepite per essere alimentate con vettori termici piuttosto caldi come vapore o acqua surriscaldata, sfruttando in modo utile cascami termici di processi industriali molto energivori (in origine cementifici, acciaierie, vetrerie).

Da qualche decennio gli assorbitori che utilizzano Bromuro di Litio vengono abbinati agli impianti di cogenerazione sfruttando il calore di scarto del motore endotermico ed acquisendo come vettore in entrata acqua calda a 90°, con il limite di poter produrre acqua fredda ad una temperatura non inferiore a 5°/6°.

Per quanto riguarda l'efficienza (Coefficient Of Performance) nel caso degli assorbitori a Bromuro di litio si attesta su di un valore pari a circa 0,7-0,9 (rapporto tra frigorie prodotte su calore entrante). Nello schema di figura 3, l'assorbitore, a Bromuro di Litio, recupera il 40% dell'esubero termico convertendolo in un 28% di energia frigorifera (COP 0,7).

Venendo agli assorbitori ad ammoniaca, nel 1858 l'ingegnere francese Ferdinand Carré realizzò la prima macchina produttrice di ghiaccio ad assorbimento, che utilizzava ammoniaca appunto (NH3 , ovvero R717 secondo la classificazione) come refrigerante. Diversamente da quelli a Bromuro di Litio gli assorbitori ad ammoniaca sono in grado di raggiungere temperature ben inferiori allo zero.

Il limite dichiarato anche di -40°C deve però corrispondere alle reali disponibilità di fluido caldo ed al regime complessivo di funzionamento dell'impianto (figura 4).

La particolarità delle condizioni di lavoro sono infatti vincolanti per la scelta della macchina, tant'è che le curve di correzione che possono essere applicate agli assorbitori "di catalogo" debbono essere scelte di volta in volta, impossibile sarebbe altrimenti applicarne una unica per tutti i modelli di un produttore.

Per quanto riguarda l'efficienza (il COP) nel caso degli assorbitori ad ammoniaca si attesta su di un valore pari a 0,4 o poco più alto. I componenti principali di questo tipo di assorbitori sono: il Desorbitore, il Condensatore, l'Evaporatore e l'Assorbitore.

Il fluido utilizzato nel ciclo frigorifero è in realtà una soluzione d'acqua ed ammoniaca (l'acqua è il fluido assorbente e l'ammoniaca il fluido refrigerante) (figura 5).

Il funzionamento può essere così sintetizzato. Nel Desorbitore la fonte termica di alimentazione (acqua calda, vapore, olio diatermico ecc.) viene utilizzata per separare l'ammoniaca (sotto forma di vapore) dalla soluzione con l'acqua. Il vapore di refrigerante proveniente dal Desorbitore si condensa nel Condensatore cedendo il calore all'acqua di raffreddamento.

L'ammoniaca liquida ritorna all'Evaporatore dove evapora raffreddando il fluido frigovettore (acqua glicolata o ammoniaca); il calore del carico termico viene così trasferito al refrigerante. A questo punto il ciclo inizia di nuovo con l'assorbimento (nell'Assorbitore) del vapore di refrigerante proveniente dall'evaporatore da parte dell'acqua.

La soluzione acqua/ammoniaca che si forma viene pompata al Desorbitore visto sopra.

In allegato, è possibile scaricare l'articolo completo, che comprende anche le conclusioni.