"È un eccellente esempio di come sia efficace combinare pompe di calore e sistemi di cogenerazione," afferma Holger Herzberg, responsabile della produzione energetica presso la Vereinigte Stadtwerke, riferendosi al nuovo impianto di Dreiangel. Nel 2020, l'azienda ha iniziato il rinnovamento del vecchio sistema di cogenerazione, processo concluso con l'arrivo degli ultimi componenti nel 2023. L'innovazione principale del sistema modernizzato risiede nella combinazione di pompe di calore con un serbatoio di accumulo per recuperare il calore a bassa temperatura del cogeneratore.

Il sistema di cogenerazione fornisce energia alla rete di teleriscaldamento di Dreiangel. Il cuore dell'impianto è stato completamente sostituito con un nuovo cogeneratore, due pompe di calore e due serbatoi di accumulo. Il nuovo concetto sfrutta le pompe di calore geotermiche in modo particolarmente innovativo, aumentando l'efficienza complessiva e la flessibilità del sistema. L'associazione delle aziende di servizi pubblici regionali ha investito circa 450.000 euro nella modernizzazione del sistema, rendendolo pronto per il futuro, come spiega Herzberg. L'impianto serve circa 200 famiglie, un asilo e un supermercato nel quartiere di Dreiangel.

Serbatoio di accumulo sovradimensionato per maggiore flessibilità

Prima della modernizzazione, un motore MAN a 250 kW ad aspirazione naturale funzionava instancabilmente senza guasti. Herzberg racconta: "Il motore operava in modalità modulante tra 20 e 250 kilowatt. Non c'era bisogno di un serbatoio di accumulo". Tuttavia, nel 2019 è emersa la necessità di modernizzare il sistema. I requisiti erano che il nuovo sistema fosse adattabile a un'espansione della rete di teleriscaldamento e potesse continuare a funzionare a biometano.

La Vereinigte Stadtwerke ha scelto un sistema di cogenerazione di 2G per la rete di teleriscaldamento urbana di Dreiangel. La convenienza economica è stata un fattore chiave nella decisione, ma anche l'efficienza elettrica del nuovo sistema ha rappresentato un miglioramento significativo. Il cogeneratore ha una potenza elettrica di 385 kW e una potenza termica di circa 400 kW. Herzberg spiega: "Il sistema funziona secondo la legge sulle energie rinnovabili, come il vecchio sistema, il che significa che l'elettricità viene venduta tramite marketing diretto. Il motore è flessibile, funziona in diverse fasce orarie, meno in estate, più in inverno. Complessivamente, il cogeneratore accumula circa 4.500 ore di pieno carico all'anno".

Inoltre, i progettisti hanno insistito affinché il sistema fosse dotato di un catalizzatore SCR per la reazione catalitica selettiva, che garantisce una purificazione ideale dei gas di scarico e riduce le emissioni. "Il cogeneratore è completato dal sistema di caldaie e da un robusto serbatoio di accumulo da 50.000 litri, alto quanto i camini del cogeneratore," spiega Herzberg. Il serbatoio garantisce che il calore sia sempre disponibile per le pompe di calore e che il cogeneratorepossa sempre dissipare il calore di scarto. È volutamente sovradimensionato per lasciare spazio all'espansione e aumentare la flessibilità.

Per il funzionamento a carico di punta durante l'inverno, è stata mantenuta una caldaia a condensazione da 500 kilowatt installata nel 2011, che può funzionare a gas naturale quando necessario. Un'altra caldaia da 1,2 megawatt è stata rimossa durante le ristrutturazioni poiché superflua.

Uso ottimale delle pompe di calore

Due pompe di calore, installate rispettivamente nel 2021 e nel 2023 e prodotte da Ochsner, completano il cogeneratore a biometano. Con una potenza di 120 kW ciascuna e collegate in serie, queste pompe sono integrate da un serbatoio di accumulo da 5 metri cubi. "In queste condizioni, massimizziamo il lato freddo e caldo del ciclo della pompa di calore," afferma Herzberg. Questa configurazione aumenta significativamente l'efficienza complessiva del sistema, secondo l'esperto di efficienza energetica della Vereinigte Stadtwerke.

Come funziona il tutto nella pratica? Il calore estratto dai raffreddatori a bassa temperatura di un cogeneratore di solito viene disperso nell'ambiente tramite raffreddatori a secco o torri di raffreddamento per evitare il surriscaldamento. L'impianto di Dreiangel non ha bisogno di raffreddatori a secco, il che lo rende speciale. "Le pompe di calore e il serbatoio di accumulo ci permettono di minimizzare le perdite di calore a livello LT," spiega Herzberg.

Le pompe di calore geotermiche raffreddano costantemente il serbatoio di accumulo. "In teoria, si congelerebbe a un certo punto," dice Herzberg, "ma il processo produce abbastanza calore LT dalla ventilazione, dal motore e dal secondo EGHE, quindi il serbatoio di accumulo collegato al lato della sorgente della pompa di calore è praticamente riscaldato. Il calore LT in eccesso viene utilizzato per riscaldare il serbatoio di accumulo." Di conseguenza, la temperatura della sorgente geotermica è stabile tra 20 e 30 gradi Celsius tutto l'anno. Secondo Herzberg, il COP è eccellente, tra 3,5 e 4,5.

L'energia termica prodotta dalle pompe di calore viene immessa direttamente nella rete di riscaldamento o nel serbatoio di accumulo più grande, dove si mescola con il flusso di alimentazione del cogeneratore (90-95°C), raggiungendo una temperatura combinata di circa 80°C per la rete di teleriscaldamento.

La domanda di elettricità delle pompe di calore è parzialmente coperta da un impianto fotovoltaico da 16 kW installato sul tetto dell'impianto. Il sistema, costruito da Solar Edge, serve esclusivamente la domanda in loco.

L'impianto di riscaldamento genera circa 2.200 MWh di energia termica all'anno, con il cogeneratore a biometano che fornisce circa 1.500 MWh di questo totale. Il resto è prodotto dalle pompe di calore e dalla caldaia a carico di punta. Il sistema modernizzato è operativo dall'autunno 2020, mentre i pannelli solari sono stati installati nel 2023.

Questo impianto, con la sua combinazione di pompe di calore e sistema di cogenerazione, rappresenta un esempio per altre aziende di servizi pubblici e fornitori. Secondo Holger Herzberg, il sistema dimostra una "sinergia ideale tra cogeneratore e pompe di calore," rendendolo un modello da imitare.