Cogenerazione da biomassa agroforestale mediante sistemi ORC: studio di un applicazione in un comune dell'alta Valtellina

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1 13 Dicembre 2011 Workshop: Biomasse, tra valorizzazione della risorsa, innovazione tecnologica e tutela ambientale Cogenerazione da biomassa agroforestale mediante sistemi ORC: studio di un applicazione in un comune dell'alta Valtellina F.Armanasco, A. Rossetti RSE

2 Indice La biomassa agro-forestale Le tecnologie per la produzione di elettricità e calore da biomassa legnosa I generatori ORC L impianto di teleriscaldamento di Sondalo Ottimizzazione e repowering dell impianto Pianificazione dell attività Attività in corso e risultati preliminari Conclusioni 2

3 La biomassa agro-forestale La FILIERA AGRO-FORESTALE è tra le filiere agro-energetiche quella che prevede l utilizzo della BIOMASSA SOLIDA A BASE LEGNOSA di derivazione AGRICOLA E FORESTALE: Biomassa di derivazione agricola Biomassa dedicata da colture energetiche erbacee ed arboree Biomassa residuale da colture erbacee (paglie e stocchi) ed arboree (potature di frutteti) Biomassa di derivazione forestale Utilizzazioni forestali e manutenzioni boschive Residui derivanti dalle utilizzazioni forestali (ramaglie, cimali) 3

4 Cogenerazione e biomassa Impianti di cogenerazione alimentati a biomassa solida di origine agro-forestale 4

5 Produzione di elettricità e calore da biomassa Nell ambito degli impianti di piccola taglia (<1MWel) sono possibili due alternative per lo sfruttamento della biomassa solida: Combustione Recupero termico dai fumi di combustione: Cicli Rankine a fluido organico (ORC) Motori Stirling Microturbine a gas con combustore esterno (EFGT) Gassificazione Gassificazione della biomassa (letto fisso/fluidi) e impiego diretto del syngas: Motori a combustione interna Turbine a gas in cocombustione Microturbine a gas 5

6 Produzione di elettricità e calore da biomassa Solamente ORC, MCI e MTG hanno raggiunto una certa maturità commerciale: Cicli Rankine a fluido organico Scarso rendimento elettrico (17-20%) Bassa manutenzione Elevata affidabilità Disponibili a partire da 100 kw el Motori a combustione interna Ottimi rendimenti (30-40%) Elevata rumorosità ed emissioni Elevati costi di manutenzione Ampio range di potenze disponibili (10 kw el 1 MW el ) Microturbine a gas Buoni rendimenti (30%) Bassa rumorosità ed emissioni Taglia massima 200 kw el Elevata affidabilità 6

7 I generatori ORC L installazione tipica di un generatore ORC prevede l impiego di un circuito ad olio diatermico per il trasferimento del calore Unità ORC disponibili su skid comprensivi di evaporatore e condensatore Produzione di acqua calda (60-80 C) grazie al calore di recupero dal condensatore e da eventuale integrazione da circuito ad olio diatermico gas di scarico circuito olio diatermico evaporatore turbina rigeneratore condensatore biomassa Fluido organico U.T. Caldaia 7 Gruppo ORC Utenza termica

8 I generatori ORC L impiego di fluidi organici permette una riduzione dei costi dei componenti e la semplificazione del layout dell impianto I fluidi di lavoro più impiegati sono i silossani (MDM) e i refrigeranti (R245fa) Il rendimento del ciclo è limitato dalla massima temperatura del ciclo (T MAX ) raggiunbile (~310 C) L impiego di fluidi più performanti, che garantiscono T MAX superiori, è limitato da problemi di sicurezza (infiammabilità e tossicità) Incremento dell efficienza Scambio diretto Fluidi di lavoro innovativi 8

9 Impianto di teleriscaldamento di Sondalo Repowering di centrale, installazione di un unità cogenerativa innovativa, ottimizzazione tecnico-economica 2 Caldaie da 5 MW th alimentate a biomassa agroforestale (cippato) Utilizzo diretto del cippato senza processi di essicazione Deposito a cielo aperto e sotto tettoia Utenze termiche prettamente residenziali (23 MW th ) 9

10 Repowering dell impianto di Sondalo Evaporatore ORC Ritorno acqua Scambiatore di sicurezza Mandata acqua Ciclo ORC biomassa Condensatore ORC 10

11 Sorgente termica disponibile 350 Temperatura dei fumi al punto di prelievo ( C) Reale possibilità d impiego di ORC a scambio diretto senza l impiego di fluidi termovettori intermedi Potenza termica rete (kw) 11

12 Profilo annuale di funzionamento dell impianto Potenza termica (kw) Basso carico termico durante il periodo estivo Rete Caldaia 2 Caldaia /06/ /08/ /09/ /11/ /01/ /02/ /04/ /05/2010 Tempo (gg/mm/aaaa) 12

13 Profilo tipico di funzionamento invernale Rete Caldaia 2 Caldaia 1 Temperatura ambiente Potenza termica (kw) Temperatura ( C) /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/2010 Tempo (gg/mm/aaaa) 13

14 Profilo tipico di funzionamento estivo Rete Caldaia 2 Temperatura ambiente Potenza termica (kw) Temperatura ( C) /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/2010 Tempo (gg/mm/aaaa) 14

15 Collaborazione con T.C.V.V.V. Pianificazione dell attività e stato di avanzamento: Analisi dei dati storici di funzionamento Analisi fumi per la verifica del contenuto di polveri e per la stima delle proprietà termofisiche dei gas combusti in diverse condizioni di esercizio Indagine di mercato per l individuazione di generatori ORC più idonei Sviluppo di un modello matematico per il dimensionamento e la simulazione del funzionamento dello scambiatore di calore fumi/fluido ORC Simulazione di differenti scenari di esercizio ed analisi tecnico economica Realizzazione ed attività sperimentali in campo 15

16 Analisi fumi a monte dei dispositivi di filtraggio Potenza teleriscaldamento (kw), Particolato (mg/nm3) Potenza teleriscaldamento Particolato Temperatura fumi Temperatura dei fumi al punto di prelievo ( C) Tempo (hh.mm.ss) 16

17 Indagine di mercato: ORC a recupero 17

18 Turboden CHP 2 INPUT TERMICO: Input C Return temperature 250 C OUTPUT ELETTRICO: Lorda: 216 kw Tensione: Vac Frequenza: Hz Rendimento Elettrico: 16% GRUPPO TURBINA-GENERATORE: Turbina assiale generatore asincrono trif. FLUIDO MOTORE: Ottametiltrisilossano 18

19 Freepower FP120 INPUT TERMICO: Input C Return temperature 135 C OUTPUT ELETTRICO: Lorda: 130 kw Tensione: Vac Frequenza: Hz Rendimento Elettrico: 17% GRUPPO TURBINA-GENERATORE: Turbina a flusso radiale da rpm FLUIDO MOTORE: Hydrocarbon 19

20 Ingeco WHG125 INPUT TERMICO: Input C Return temperature 35 C OUTPUT ELETTRICO: Lorda: 125 kw Tensione: Vac Frequenza: Hz Rendimento Elettrico: 15% GRUPPO TURBINA-GENERATORE: Turbina a flusso radiale da rpm FLUIDO MOTORE: Pentafluoropropano tipo HFC-245fa 20

21 Modello matematico Grazie ad un opportuno modello matematico verranno simulate differenti condizioni operative d impianto che permetteranno un attenta valutazione dei principali indici prestazionali per ciascuna macchina considerata Il software sarà in grado di fornire gli strumenti necessari per un dimensionamento ad hoc di un evaporatore innovativo a scambio diretto di tipo Shell & Tube Lo scambiatore innovativo permetterà l evaporazione del fluido organico che alimenta il ciclo ORC mediante il raffreddamento dei fumi di centrale permettendo così il raggiungimento di un ulteriore risparmio energetico 21

22 Conclusioni Il carattere discontinuo del carico termico ha fornito i presupposti per un intervento di ottimizzazione e repowering della centrale di teleriscaldamento di Sondalo La collaborazione con T.C.V.V.V. ha permesso un analisi degli storici d impianto e delle potenze effettivamente disponibili Un accurata indagine di mercato ha reso possibile l individuazione delle macchine idonee all impiego previsto Un opportuno modello matematico e le analisi condotte permetteranno di fornire gli strumenti necessari per un dimensionamento ad hoc di un evaporatore innovativo a scambio diretto Lo scambiatore innovativo permetterà l evaporazione del fluido organico che alimenta il ciclo ORC mediante il raffreddamento dei fumi di centrale Sono attualmente in corso valutazioni in merito alla definizione del layout, agevolando un intervento che tenda il più possibile a preservare l attuale configurazione di centrale 22

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