A causa delle crescenti pressioni per diminuire i costi, le imprese industriali e commerciali stanno cercando attivamente dei modi per sfruttare più efficientemente l’energia. Uno di questi è la co- generazione, processo che permette, in un unico impianto, la produzione combinata di elettricità e calore, quest’ultimo potendo essere utilizzato per alimentare processi industriali o per scopi di riscaldamento. Rispetto alla produzione separata di energia elettrica e calore, essa consente di risparmiare combustibile, con ovvi benefici di carattere ambientale (riduzione delle emissioni di "gas serra"). Nell’industria elettrica la generazione avviene in grossi impianti dislocati in prossimità di corsi d’acqua, del mare o di giacimenti di combustibile. L’energia elettrica prodotta viene poi trasmessa e distribuita sul territorio agli utilizzatori. Questo comporta delle perdite (perdite di trasmissione e distribuzione) che in Italia sono dell’ordine del 6 % dell’energia prodotta (negli Stati Uniti del 15%). La co-generazione permette anche la generazione distribuita, ovvero la produzione di elettricità nei pressi dei carichi, evitando le perdite di trasmissione e i costi per il mantenimento della rete. Fra gli impianti cogenerativi di piccola taglia si sta affermando una nuova tecnologia che utilizza una microturbina a gas come motore. Sono sistemi estremamente compatti la cui capacità oggi va dai 30 kWe ai 200 kWe e con rendimenti abbastanza elevati da giustificare il loro sviluppo. Questi rendimenti si ottengono mediante l’utilizzo di scambiatori rigenerativi (recuperatori) che preriscaldano l’aria comburente e riscaldano l’acqua a spese del calore dei gas di scarico della microturbina. Ne consegue che la tecnologia dei recuperatori è un fattore importante, che determina in buona misura l’intero rendimento dell’impianto. Inoltre, i gas di scarico o l’acqua calda possono essere utilizzati per alimentare un sistema di condizionamento dell’aria ad assorbimento. Questi sistemi di co-generazione di "piccola taglia" aprono la strada a diversi possibili scenari di utilizzo: • potrebbero essere installati in configurazione singola nelle vicinanze degli utenti, date le dimensioni ridotte, e soddisfare così al loro fabbisogno di energia elettrica, di calore e di refrigerazione; • potrebbero essere installati in configurazione multipla, contribuendo insieme e in modo coordinato al soddisfacimento di richieste localizzate più consistenti; • potrebbero infine contribuire singolarmente o in modo coordinato, anche se dislocati sul territorio, alla potenza della rete pubblica.

Lo scopo dell’attività presentata in questo rapporto è quello di mettere a punto una metodologia per la gestione ottima di un impianto, dal punto di vista economico, in relazione alle esigenze dell’utenza, e tenendo conto dei vincoli impiantistici. Dal momento che le esigenze dell’utenza variano con una scala temporale lenta rispetto alla dinamica d’impianto è possibile, almeno in prima istanza, affrontare la ricerca della condizione di ottimo considerando l’impianto in condizioni stazionarie. L’obiettivo posto viene perseguito sviluppando un modello dell’impianto. La particolare tipologia considerata è quella di un impianto costituito da una sola microturbina o di una microturbina integrata con una cella a combustibile a carbonati fusi. Il modello si ottiene assiemando i modelli dei suoi elementi, sviluppati in seguito uno alla volta, vale a dire: • scambiatore • compressore • turbina a gas • camera di combustione • cella a combustibile • elementi irreversibili (valvole ecc.) Il rapporto è articolato nel modo seguente. Si inizia con una concisa descrizione di tipici impianti di generazione distribuita. Successivamente si passa alla presentazione dei modelli dei vari elementi tipici di questi impianti. Utilizzando questi modelli dei componenti elementari, si può costruire il modello globale di un dato impianto. Diverse sono le funzioni costo che possono essere considerate per questi impianti. La loro effettiva valutazione richiede peraltro la conoscenza delle richieste di potenza termica ed elettrica, nelle varie ore del giorno e dell’anno, dell’utenza (tipicamente un palazzo o un condomino). Queste ultime si ottengono come uscite di un altro modello studiato e proposto in un precedente lavoro pubblicato nel rapporto CESI :RdS ,progetto GENDIS, Rif. SFR02, Rapporto 009, Dicembre 2000, che descrive l’andamento del carico giornaliero in funzione della composizione e del comportamento dell’utenza. Infine si affronta il problema della ottimizzazione della gestione proponendo il caso in cui l’impianto sia collegato ad una rete di grande dimensione (che quindi gioca il ruolo di una sorgente con capacità praticamente infinita di accumulo) e non sia dotato di elementi di accumulo di energia (né elettrico, né termico). Si ipotizza inoltre che il contratto tra il gestore dell’impianto e il gestore della rete sia di tipo “puramente pecuniario” e che esistano delle limitazioni contrattuali sulle potenze scambiate nelle varie ore del giorno o nelle varie stagioni. In questo caso l’ottimizzazione si esprime specificando un punto di lavoro istantaneo ben preciso, cioè l’insieme dei valori “ottimi” dei set point, ottenuto risolvendo contemporaneamente il sistema di equazioni algebriche che definisce il modello dell’impianto nel rispetto dei vincoli del sistema.