Dispensa del corso di “SISTEMI ENERGETICI” Argomento: Sistemi Energetici (parte 3.2) - 1

Prof. Pier Ruggero Spina 

Dipartimento di Ingegneria  

Dispensa del corso di  

“SISTEMI ENERGETICI” 

Argomento: Sistemi Energetici (parte 3.2) 

SISTEMI ENERGETICI CONSOLIDATI ED 

INNOVATIVI PER LA COGENERAZIONE 

Taglia impianto [kW]

 

Rend

imen

to

 elett

rico 

%

 

0

 

1 

 

10

 

100

 

1000

 

10

4 

10

5 

10

6 

0

 

10

 

20

 

30

 

40

 

50

 

60

 

70

 

80

 

Celle a combustibile 

 

Mot. 

Stirling

 

Cicli ibridi con FC + turbina a gas  

TPV

 

Micro-turbine a gas  

Cicli combinati 

USC e 

IGCC 

TG AD 

TV 

TG HD 

   Le tecnologie di generazione elettrica 

ORC

 

Taglia impianto [kW]

 

Rend

imen

to

 elett

rico 

%

 

0

 

1 

 

10

 

100

 

1000

 

10

4 

10

5 

10

6 

0

 

10

 

20

 

30

 

40

 

50

 

60

 

70

 

80

 

Celle a combustibile 

 

Mot. 

Stirling

 

Cicli ibridi con FC + turbina a gas  

TPV

 

Micro-turbine a gas  

Cicli combinati 

USC e 

IGCC 

TG AD 

TV 

TG HD 

   Le tecnologie di generazione elettrica 

ORC

 

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0.1

1

10

100

1000

MCI

MTG

Stirling

ORC

Taglia di potenza elettrica [kW]

R

e

n

d

im

e

n

to

 e

le

tt

ri

c

o

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0.1

1

10

100

1000

MCI

MTG

Stirling

ORC

Taglia di potenza elettrica [kW]

R

e

nd

im

e

n

to

 t

e

rm

ic

o

   Confronto tra le tecnologie di piccola cogenerazione 

   Potenzialità delle tecnologie di cogenerazione fino a 100 kW

e

  

0

20

40

60

80

100

0

10

20

30

40

50

MCI

MTG

Stirling

ORC

Rendimento elettrico [%]

Re

n

d

im

e

n

to

 te

rm

ic

o

 [%

]



U

 = 75 %

C 

= 1.00

C 

= 0.50

C 

= 0.25

C 

= 0.75

E

e

 = 

p 



e

 

E

c 

E

e,U

 = 

C

 

E

t 

E

t 

E

e,CHP 

Cogenerazione per il soddisfacimento 

del fabbisogno energetico dell'edificio 

Fuel

 

E

t,CHP 

E

c,CHP+AB 

E

c, AB 

E

c,CHP 

Heat pump 

COP 

E

e

 = 

p 



e

 

E

c 

E

e,U

 = 

C

 

E

t 

E

t

 = 

COP E

e,t 

E

e,t 





C

COP

C

COP

p

E

E

E















1

1

e

c

t

U

e,

U





Rendimento totale equivalente 

η

U

 con pompa di calore  

p 

= 0.860  

0.75 

Rendimento totale equivalente 

η

U

 con pompa di calore  

p 

= 0.860  

0.75 

Rendimento totale equivalente 

η

U

 con pompa di calore  

p 

= 0.860  

0.75 

Rendimento totale equivalente 

η

U

 con pompa di calore  

Cogeneratore Vs. pompa di calore  

  

Cogeneratore Vs. pompa di calore  

  

Cogeneratore Vs. pompa di calore  

  

Ciclo

 termodinamico

Combustione 

esterna

Motore primo

Energia utile 

meccanica/elettrica

Energia utile termica

aria 

combustibile 

La combustione interna 

En. termica per 

cogenerazione 



La combustione avviene direttamente all’interno del motore primo 



Necessità di avere combustibili “puliti” (raffinazione per i prodotti 
petroliferi, sistemi di purificazione e filtrazione per biogas, syngas, 
pyrogas) 



Maggiore rendimento 



Separa il sistema di combustione (caldaia) dal motore primo 



Consente la combustione di combustibili di varia origine (carbone, 
prodotti petroliferi "grezzi", biomasse solide, CDR, syngas, biogas, 
oli vegetali, ecc...) 



Richiede un fluido termovettore tra caldaia e motore primo 

La combustione esterna 

Ciclo

 termodinamico

Combustione 

esterna

Motore primo

Energia utile 

meccanica/elettrica

Energia utile termica

En. termica per 

cogenerazione 



Costituito da un motore primo (topper) e da un utilizzatore 
dell’energia termica (bottomer), anch'esso motore primo 



Energia termica per la cogenerazione possibile da entrambi 

Ciclo

 termodinamico

Combustione 

esterna

Motore primo

Energia utile 

meccanica/elettrica

Energia utile termica

Ciclo

 termodinamico

Combustione 

esterna

Motore primo

Energia utile 

meccanica/elettrica

Energia utile termica

aria 

combustibile 

C

ic

lo

te

rm

o

d

in

a

m

ic

o

C

o

m

b

u

s

ti

o

n

e

 

e

s

te

rn

a

M

o

to

re

 p

ri

m

o

E

n

e

rg

ia

 u

ti

le

 

m

e

c

c

a

n

ic

a

/e

le

tt

ri

c

a

E

n

e

rg

ia

 u

ti

le

 t

e

rm

ic

a

Ciclo

 termodinamico

Combustione 

esterna

Motore primo

Energia utile 

meccanica/elettrica

Energia utile termica

En. termica per 

cogenerazione 

Energia termica per il bottomer 

En. termica per 

cogenerazione 

Caldaia a 

recupero 

Il ciclo combinato 

aria 

combustibile 



Motori alternativi a combustione interna (MCI) 



Turbine a Gas (TG) e Micro Turbine a Gas (MTG) 

Tecnologie CHP a combustione interna 



Turbine a Vapore (TV)  



Motori Alternativi a Vapore (MAV)  



Cicli Rankine a fluido Organico (ORC) 



MTG a combustione esterna (EFMGT) 



Motori Stirling 

Tecnologie CHP a combustione esterna 

Consolidate 

Consolidate 

In fase di 

consolidamento 

Le tecnologie 



Celle a combustibile - Fuel Cell (FC) 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 

Tecnologie CHP a combustione interna 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 



Sistemi termoelettrici (TE) 

Tecnologie CHP a combustione esterna 

Prototipali 

Tecnologie CHP a combustione interna/esterna 



Ciclo combinato gas-vapore 



Ciclo combinato MCI-ORC 



Ciclo combinato MTG-ORC 

Prototipali 

In fase di 

consolidamento 

Consolidate 

Le tecnologie 

Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione 

per tecnologia (dati AEEG, anno 2008)  

T 

Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione 

GD per tecnologia (dati AEEG, anno 2008)  

T 

Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione 

GD per tecnologia (dati AEEG, anno 2008)  

Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione 

PG per tecnologia (dati AEEG, anno 2008)  

Sezioni, potenza e produzione impianti di cogenerazione 

PG per tecnologia (dati AEEG, anno 2008)  

Conversione mediante combustione 

gassificazione 

pirolisi

 

 

GAS NATURALE 

 

CARBONE 

 

PETROLIO 

 

BIOMASSE E RIFIUTI 

Processi meccanici, 

termochimici,  

biochimici

 

raffinazione

 

Turbogas 

e cicli combinati 

Motori Endotermici 

Alternativi 

Gruppi a 

vapore 

Motori Stirling, 

ORC 

Caldaia tradizionale 

Camera di 

combustione 

TG 

Combustore 

a letto fluido 

Camera di 

combustione 

MCI 

Conversione mediante combustione 

 

GAS NATURALE 

Turbogas 

e cicli combinati 

Motori Endotermici 

Alternativi 

Gruppi a 

vapore 

Motori Stirling, 

ORC 

Caldaia tradizionale 

Camera di 

combustione 

TG 

Combustore 

a letto fluido 

Camera di 

combustione 

MCI 

Conversione mediante combustione 

gassificazione 

pirolisi

 

 

CARBONE 

Turbogas 

e cicli combinati 

Motori Endotermici 

Alternativi 

Gruppi a 

vapore 

Motori Stirling, 

ORC 

Caldaia tradizionale 

Camera di 

combustione 

TG 

Combustore 

a letto fluido 

Camera di 

combustione 

MCI 

Conversione mediante combustione 

 

PETROLIO 

raffinazione

 

Turbogas 

e cicli combinati 

Motori Endotermici 

Alternativi 

Gruppi a 

vapore 

Motori Stirling, 

ORC 

Caldaia tradizionale 

Camera di 

combustione 

TG 

Combustore 

a letto fluido 

Camera di 

combustione 

MCI 

 

BIOMASSE E RIFIUTI 

Processi meccanici, 

termochimici,  

biochimici

 

Turbogas 

e cicli combinati 

Motori Endotermici 

Alternativi 

Gruppi a 

vapore 

Motori Stirling, 

ORC 

Caldaia tradizionale 

Camera di 

combustione 

TG 

Combustore 

a letto fluido 

Camera di 

combustione 

MCI 

Conversione mediante combustione 

Combustione diretta 

Processi di 

conversione chimica 

•

Gassificazione (Syngas) 

•

Pirolisi (Pyrogas, Olio da pirolisi) 

•

Digestione anaerobica (Biogas) 

•

Fermentazione alcolica (Etanolo) 

Processi 

meccanico/chimici 

Sistema 

energetico 

Combustibili liquidi 

e gassosi 

Combustibile liquido 

•

Spremitura (Olio vegetale grezzo) 

•

Transesterificazione (Biodiesel) 

Combustibili solidi 

•

Combustione (Biomassa solida) 

•

Co-combustione 

I biocombustibili 

BIOMASSA

 

TG e MTG 

MCI 

MAV 

Biomassa solida 

Syngas 

Olio da pirolisi 

Pyrogas 

Biogas 

Olio vegetale 

ORC 

Motore Stirling 

Biocombustibile/Sistema energetico 

EFMGT 

TG e MTG 

MCI 

MAV 

EFMGT 

Biomassa solida 

Syngas 

Olio da pirolisi 

Pyrogas 

Biogas 

Olio vegetale 

ORC 

Motore Stirling 

Biocombustibile/Sistema energetico