Il presente rapporto descrive le attività di Ricerca di Sistema svolte nell’ambito del Progetto USI Finali, Work Package 1.1 “Generazione Distribuita” Il documento si articola in tre parti, la prima tratta lo sviluppo di strumenti per l’analisi tecnico economica di sistemi co-trigenerativi, la seconda la sperimentazione di sistemi di microgenerazione con microturbina a gas e con turbina a ciclo Rankine organico, e l’ultima è una raccolta ed un esame critico delle informazioni sulle iniziative in corso a livello nazionale ed internazionale con particolare riguardo alle prove in campo di microgeneratori PEFC e SOFC per applicazioni cogenerative in ambito residenziale ed allo sviluppo di standard e norme. Nel capitolo 2 vengono descritti differenti modelli di simulazione tecnico economica di impianti di co- trigenerazione e di sistemi energetici. Il primo modello (paragrafo 2.1) è stato sviluppato con programmazione in linguaggio misto Visual Basic e Visual Fortran ed è pensato per l’ottimizzazione energetica di un distretto (industriale e/o terziario), con la possibilità di accorpare un ampio ventaglio di utenze: si tratta di uno strumento utile per supportare un decisore politico nel pianificare lo sviluppo energetico di un’area locale. Il codice prende nome di DCOGEN-2, e costituisce un’evoluzione sostitutiva del precedente DCOGEN-1. Parallelamente è stato sviluppato un modello di simulazione indirizzato al singolo investitore, in grado di effettuare analisi di fattibilità tecnico economiche (I-COTEF) su utenze del settore terziario e residenziale. Il simulatore tratta i fabbisogni di alcune tipologie d’utenza ed esegue il bilancio energetico con il cogeneratore. Nel paragrafo 2.2 è riportato uno studio di fattibilità e la conseguente analisi di sensitività eseguiti tramite questo software di simulazione su un impianto trigenerativo con microturbina a gas e frigorifero ad assorbimento. Nel capitolo 3 “Sperimentazione impianto ORC a biomassa”, dopo una descrizione sintetica dell’impianto ed un riepilogo delle attività svolte fino al 2005, vengono descritti i principali interventi di modifica e di manutenzione che si sono resi necessari nel 2006. In particolare le modifiche del condensatore del fluido turbina, il miglioramento della tenuta del vuoto e l’ampliamento del sinottico di controllo dell’impianto. Una serie di test ha permesso di verificare la correttezza delle misure di potenza termica del sistema e di verificare che a carico parziale il rendimento di combustione risulta diminuito soprattutto per il peso relativo delle perdite. Nel capitolo sono analizzati i risultati di un primo gruppo di prove in assetto di cogenerazione.

Queste hanno mostrato che il regime della turbina è molto sensibile alle variazioni di temperatura di ciclo e che il rendimento di combustione a carico nominale è più che soddisfacente. Nel capitolo 4, dedicata ai microgeneratori PEFC e SOFC per applicazioni residenziali, sono innanzitutto passate in rassegna le principali iniziative in corso a livello nazionale ed internazionale. La maggior parte delle informazioni riportate è stata raccolta durante il 2006 in convegni internazionali, visite e incontri al quale l’autore ha direttamente partecipato o proviene da articoli e presentazioni pubblicate negli atti di recenti conferenze internazionali del settore. Sono stati considerati sia i principali costruttori sia significative campagne di prova di cui siano stati diffusi risultati. Il materiale relativo ad attività a livello internazionale è stato suddiviso per aree geografiche, privilegiando quei paesi che da un maggior numero di anni si segnalano per iniziative sulle differenti tecnologie di cella a combustibile per applicazioni stazionarie. Per questo la rassegna non può essere considerata come esaustiva ed in futuro una maggior attenzione andrà dedicata alle azioni in corso in paesi come la Russia, la Cina e la Corea del Sud. Molte attività hanno poi carattere internazionale e la scelta della collocazione geografica è indicativa. Nel campo della cogenerazione residenziale con sistemi di potenza a celle a combustibile le principali azioni sono in corso in Giappone e, a livello europeo, in Germania, mentre gli Stati Uniti sembrano più orientati verso un utilizzo di sistemi senza recupero di calore come generatori di back up o per siti remoti. In termini di numero di unità prodotte ed installate la tecnologia PEFC appare dominante ed in costante crescita rispetto alla tecnologia SOFC. Una lettura più attenta di questi dati tuttavia rivela la pesante influenza del programma dimostrativo giapponese, focalizzato su sistemi PEFC di cinque costruttori locali, e non deve portare a frettolose conclusioni sulle prospettive di entrambe le tecnologie. Diversi costruttori stanno in effetti sviluppando sistemi SOFC basati su tecnologie di cella innovative (microtubolari, a temperatura di esercizio medio alta, ecc.) che potrebbero superare le barriere tipiche di questa tecnologia (costi elevati, scarsa resistenza al ciclaggio termico, lento avviamento, ecc.). Nella seconda parte del capitolo 4 vengono riportati e commentati alcuni risultati ottenuti presso il CESI RICERCA su due temi di particolare interesse per questo tipo di applicazione dei sistemi di potenza a celle a combustibile: l’interfacciamento alla rete elettrica e il recupero di calore da una cella a combustibile a bassa temperatura di esercizio. I risultati sul primo tema, in buona parte ottenuti durante il precedente anno di Ricerca di Sistema, sono stati oggetto di un lavoro selezionato per una presentazione orale ad una delle principali conferenze internazionali sulla scienza e tecnologia delle celle a combustibile, successivamente pubblicato su rivista internazionale. La possibilità di recupero di calore da un sistema PEFC è stata dimostrata su un modulo di nuova generazione da 5 kWe messo a disposizione da Nuvera. Nel corso dell’anno sono stati avviati contatti con alcuni costruttori finalizzati a reperire sul mercato un sistema di potenza per microcogenerazione da inserire nel campo prove di CESI RICERCA. Purtroppo molti di questi sistemi sono allo stadio di prototipi prodotti in piccole serie, con costi elevati in rapporto alla potenza erogata.

Nel capitolo 5 vengono analizzate le modifiche impiantistiche, gli sviluppi nel sistema di controllo, e i test di performance, legati all’impianto di trigenerazione basato su microturbina a gas presente presso la test facility del CESI RICERCA.