Valorizzazione del calore di scarto mediante ciclo ORC di piccola taglia

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1 Valorizzazione del calore di scarto mediante ciclo ORC di piccola taglia Prof. Marco Marengo Docente di Fisica Tecnica e Impianti Termotecnici Docente di Tecniche di Risparmio Energetico nell Edilizia Facoltà di Ingegneria Università di Bergamo

2 Indice Recupero dei cascami termici ORC: Organic Rankine Cycle Tecnologie Applicazioni possibili Costi e tempi di ritorno

3 IL RECUPERO DEL CALORE

4 Il recupero dei cascami termici Molti settori energivori sono caratterizzati da grandi quantità di energia termica di scarto contenuta (per esempio) nei fumi di processo. Tale energia può essere riutilizzata negli stessi processi industriali o civili oppure può essere considerata per essere convertita in «energia pregiata», ovvero in energia elettrica. Il mercato offre da molti anni solide soluzioni basate sul ciclo ORC per il recupero di calore. Il Prof. Gianfranco Angelino ( ) del Politecnico di Milano fu uno dei pionieri nel campo e possiamo dire che l azienda più importante del settore (TURBODEN) è sicuramente frutto dell ingegno italiano. In questo momento, dato l aumento sempre maggiore dei prezzi dell energia e una maggiore consapevolezza sulla sostenibilità ambientale, si hanno basi consolidate (tecnologiche ed economiche) per l utilizzo dei cascami termici anche per la produzione di energia elettrica. T H > 90 C

5 Produzione separata Qualità del calore Alta temperatura >90 C Alta temperatura >90 C Cogenerazione

6 Produzione separata con ORC sulle perdite Alta (>90 C) temperatura Valori massimi indicativi: ci sono sempre perdite non recuperabili. Nella realtà rimane almeno un 10% di energia non recuperata (13.9). ORC Bassa (>45 C) temperatura Per l ORC si considerano gli autoconsumi elettrici che possono arrivare anche al 15% (dipende dalla taglia)

7 -42% energia primaria ORC HR 20 Produzione separata con recupero di calore 6 Prevalenza termica (Eth = 55) -15% energia primaria ORC HR 80 Attenzione: la differenza in termini di «utilizzo» (analisi exergetica) rimane nel 40% di energia termica a bassa temperatura (50 C) sul totale 8 Prevalenza elettrica (Eel = 30)

8 ORC su cogeneratori ORC % produzione elettrica Bassa (>45 C) temperatura Cogenerazione con recupero di calore 9 ORC % produzione elettrica Bassa (>45 C) temperatura Cogenerazione con recupero di calore totale 11 2

9 Problema dei rendimenti termodinamici Globalmente il 95% dei cascami energetici possono essere «catturati» ad una temperatura inferiore a 150 C

10 Problema dei rendimenti di conversione elettrica Il calore di scarto tra 90 e 150 C può essere convertito in energia elettrica con una efficienza dal 5% all 11% con le tecnologie attuali. Teoricamente si potrebbe arrivare ad un range tra il 14% e il 25%, per cui vi è qualche (piccolo) margine di miglioramento

11 IL CICLO ORC

12 ORC: Organic Rankine Cycle Tecnologia consolidata (più di 20 anni) Combustione esterna (occorre solo una fonte di calore ad una data temperatura e potenza) - Possibilità di utilizzare il cascame dai fumi, anche di cogeneratori MTG, MCI impianti a olio combustibile, biogas, biomassa I cicli a fluido organico consentono di superare problemi legati alle proprietà termodinamiche dell acqua: -Basse temperature del deposito caldo (sorgente ad alta temperatura) (<400 C) -Basse pressioni di vaporizzazione anche in vicinanza del punto critico -Calore latente (entalpia di vaporizzazione) minore che consente di utilizzare turbine o scroll di ridotte dimensioni -Bassa sollecitazione meccanica della turbina, dovuta alla minore velocità periferica. In molti casi si può avere un collegamento diretto del generatore elettrico alla turbina senza interposizione di riduttore di giri (3000 giri al minuto) -Mancanza di erosione delle pale, dovuta ad assenza di liquido negli ugelli durante l'espansione -Lunga vita di tutti i componenti (superiore a 20 anni)

13 ORC: i fluidi Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles A review of various applications Bertrand F. Tchanche, Gr. Lambrinos, A. Frangoudakis, G. Papadakis, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011)

14 ORC: i fluidi Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles A review of various applications Bertrand F. Tchanche, Gr. Lambrinos, A. Frangoudakis, G. Papadakis, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011)

15 Potenze e temperature 500 C Ciclo Rankine Turbina a vapore > 5 MW Temperatura disponibile 300 C 150 C 150 C 90 C Ciclo Rankine Organico Ciclo Rankine Organico Ciclo Rankine Organico Turbina a vapore modificata Turbina a vapore modificata Tecnologia scroll 400 kw<pel <10 MW 1 kw (?) <Pel <1 MW Pel <100 kw Non ancora tecnologicamente raggiungibile con efficienze e costi interessanti. Preferibile usare sistemi frigoriferi ad assorbimento, robusti e performanti

16 LE TECNOLOGIE

17 Fumi freddi: T>120 C Recupero calore Impianto ORC Ciclo ORC Smaltimento calore in eccesso Caldaia a recupero Fluido vettore: 110 C < T < 270 C Fluido vettore: 150 C < T < 300 C Raffreddamento: 50 C < T < 90 C Fumi caldi: 150 C < T < 500 C Fluido vettore: T < 40 C Schema generico impianto di recupero con valorizzazione in ciclo ORC. Generazione energia elettrica da calore proveniente da fonti diverse, rinnovabili e fossili, anche a basse T.

18 Ciclo ORC Turbina FASE 1: EVAPORATORE: scambio tra vettore termico e fluido organico con generazione di vapore in pressione. CALORE DI RECUPERO EVAPORATORE Pompa Generatore EE Rigeneratore Condensatore Recupero bassa T o torre evaporativa Schema ciclo ORC

19 Ciclo ORC TURBINA FASE 2: Il vapore in pressione aziona la TURBINA. Nel GENERATORE EE l energia meccanica viene convertita in elettrica. Calore di recupero Evaporatore Pompa GENERATORE EE Rigeneratore Condensatore Recupero bassa T o torre evaporativa Schema ciclo ORC

20 Ciclo ORC Turbina FASE 3: RECUPERO di energia termica a temperatura inferiore attraverso RIGENERATORE /CONDENSATORE. Vapore liquido Calore di recupero Evaporatore Pompa Generatore EE RIGENERATORE CONDENSATORE RECUPERO BASSA T o TORRE EVAPORATIVA Schema ciclo ORC

21 Ciclo ORC Turbina POMPA: circolazione del fluido con ridotto impiego di energia elettrica. Calore di recupero Evaporatore Generatore EE Rigeneratore POMPA Condensatore Recupero bassa T o torre evaporativa Schema ciclo ORC

22 I PRODUTTORI

23 ORC < 50kWel Segue una lista (non esaustiva) di produttori

24 Infinity Turbine - Organic Rankine Cycle ORC 50 kwel Espansore volumetrico Tev > 130 C

25 Electratherm kwel Espansore scroll Tev > 88 C

26 Calnetix 125 kwel Microturbina Tev > 120 C

27 Eneftech Potenza elettrica nominale: 10 e 30 kwel (60kWel) Potenza termica input: 100 e 330 kwth (660kWth) Potenza termica di recupero a 45 C: 255 kwth Rendimento elettrico lordo: 10% Tev > 145 C Micro-turbina ENEFTECH da 30 kwel

28 Piglet Microturbina kwel

29 Renex kwel Microturbina Tev > 130 C Rendimento dichiarato: 12.5%

30 Freepower 85 kwel, 120 kwel Microturbina Tev > 120 C e fino a 270 C

31 LE APPLICAZIONI

32 Cosa si può valorizzare? BIOGAS: metanizzazione di scarti agricoli, agroalimentare, ecc Generazione energia elettrica tramite combustione del biogas in motori endotermici. BIOMASSA Liquida: oli vegetali di colza, soia, girasole, mais, arachidi, olio di palma, ecc Generazione energia elettrica tramite combustione di biomassa liquida in motori endotermici. Valorizzazione dei fumi alimentando l ORC tramite un recuperatore di calore posto allo scarico dei motori.

33 Cosa si può valorizzare? BIOMASSA Solida: legno, cippato, trucioli, corteccia, sansa, lolla, nocciolino ecc Alimentazione dell ORC tramite una caldaia ad acqua surriscaldata a 150 C.

34 Cosa si può valorizzare? FUMI INDUSTRIALI da: fonderie, vetrerie, cementifici, ecc Valorizzazione dei fumi alimentando l ORC tramite un recuperatore di calore posto allo scarico dei camini.

35 Cosa si può valorizzare? ENERGIA SOLARE: campo solare a concentrazione circuito ad acqua surriscaldata; valorizzazione dell energia termica solare. Alimentazione dell ORC con acqua surriscaldata a 150 C.

36 IL MERCATO

37 Competitors T fluido - C Azienda 1 Azienda 2 Azienda 3 Azienda Azienda Azienda Log Pel kw

38 Prezzi indicativi degli impianti

39 Tariffe incentivate Tariffa onnicomprensiva In figura il valore della tariffa per un tempo di ritorno medio dell investimento pari a 10 anni. Si noti come dalla taglia di 100kW l attuale costo dell impianto consenta già un uso industriale (tariffa elettrica <10c /kwh, ma le aziende non sono disponibili ad un PBT = 10anni), mentre per le taglie più piccole sia indispensabile un incentivo. Con le attuali tariffe onnicomprensive, per macchine fino a 60kWel, il PBT varia tra i 3 e i 6 anni.

40 Conclusioni Il 95% degli scarti termici può essere recuperato a temperature inferiori a 150 C e con potenze relativamente modeste I sistemi ORC consentono di aumentare notevolmente il rendimento complessivo di generazione termica ed elettrica al prezzo di un degradamento parziale dell energia termica ad una temperatura più bassa I sistemi ORC sono estremamente interessanti come potenziamento di cogeneratori specie con il termico a seguire (utilizzo dell energia termica) I sistemi ORC di piccola taglia (<100kWel) sono ancora pochi, ma sono usciti dallo stadio di prototipi (per Tev > 130 C) Il costo degli impianti per le piccole taglie è ancora alto. Tale costo rende i sistemi sotto i 60kWel non interessanti per il recupero dei fumi a livello industriale L ORC risulta essere competitivo per taglie sotto i 100kWel in presenza di una tariffa incentivata o sull energia elettrica o sull energia termica recuperata Allo stato attuale delle tariffe incentivate elettrica con la produzione da combustibili rinnovabili i tempi di ritorno di un piccolo impianto ORC variano dai 3 ai 6 anni.

41 FINE Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles A review of various applications Bertrand F. Tchanche, Gr. Lambrinos, A. Frangoudakis, G. Papadakis, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) Si ringrazia la società ICENOVA srl per la gentile collaborazione