Cogenerazione: lo stato dell'arte

Ciclo termodinamico per produzione combinata di energia elettrica e termica.

Un ciclo termodinamico si basa essenzialmente sulla trasformazione di energia interna di carburanti, trasformazione ottenuta mediante la reazione di ossidazione dei componenti primari, (eminentemente carbonio ed idrogeno), che avviene all'interno di apposite apparecchiature (camere di combustione) reformer (nel caso di celle a Combustibile) ecc.

Il calore prodotto dal ciclo può essere distinto in calore "primario", ossia quello che viene utilizzato direttamente in energia meccanica, o calore "secondario" ossia quella parte di energia termica che è allontanato dalle apparecchiature, per limitare lo stress termico e meccanico dei materiali che costituiscono l'apparecchiatura. Nelle Celle a Combustibile il calore è prodotto nel "Reformer" per isolare dai componenti della molecola del carburante, l'idrogeno, che poi sarà trattato a parte.

Il calore "secondario", che altro non è che calore di risulta del ciclo primario, è utilizzato dal ciclo di "Cogenerazione" per produrre energia termica sotto forma di acqua calda o vapore a mezzo di apparecchiature denominate "scambiatori di calore".

Gli "scambiatori di calore" possono essere fumi/acqua, fumi/aria, acqua/acqua, ecc.

Gli "scambiatori di calore" fumi/acqua sono stati ad esempio, diffusamente usati fin dalle prime macchine a vapore, e sono eminentemente costituiti da un fascio tubiero in cui passano i fumi della combustione, immerso in un recipiente di acqua che affluisce a contatto del fascio tubiero, ricevendo da questo il calore posseduto dai fumi della combustione.

Esaurita la funzione prevista di riscaldamento dell'acqua, i fumi vengono fatti scaricare in atmosfera attraverso opportuni condotti, o camini che consentono un apposito "tiraggio".

Al fine di non sprecare energia il "tiraggio" si preferisce sia "naturale" e ciò si ottiene facendo si che i fumi lascino gli "scambiatori di calore" ad una temperatura al di sopra di quella atmosferica.

Ciò è essenziale in quanto i fumi debbono percorrere i camini di scarico possedendo una energia sufficiente per vincere le resistenze di attrito al moto dei fumi entro il camino, e per imprimere ai fumi stessi una certa velocità che serve ad alimentare il processo di combustione.

Se l'origine dei prodotti di scarico della combustione è un ciclo termodinamico ripetitivo quale è quello che si ha in un motore a combustione interna (o nel ciclo termodinamico di una turbina), si fa si che i fumi lascino l'apparecchiatura con una certa pressione, superiore a quella atmosferica, (cui è legata una certa temperatura), per cui lo scarico è "forzato".

In tutti i casi i fumi contengono sempre una certa energia termica specifica, che è superiore al campo termico dell'atmosfera in cui si scaricano. Ciò equivale a dire che i fumi possiedono un insieme di pressione, temperatura e volume, parametri che come è noto, sono legati dalla equazione p.v.=RT° dove p=pressione, v=volume, T°=la temperatura assoluta (gradi Kelvin), R=è la costante caratteristica del gas considerato.