Impianti di piccola taglia: condizioni ideali

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1 Impianti di piccola taglia: condizioni ideali Alessandro Guercio, Turboden s.r.l. ( Alessandro.guercio@turboden.it ) E recente l approvazione del DDL Sviluppo (9 luglio 2009) che definisce per l Italia gli incentivi sulle rinnovabili per gli impianti a biomassa di potenza fino a 1MWel a 0,28 kw/h. A ciò va aggiunta l agevolazione fiscale prevista dalla Tremonti-Ter. Queste condizioni rappresentano un forte stimolo alla diffusione sul territorio di impianti di piccola taglia. Turboden è pronta a rispondere a questa domanda con una serie di soluzioni altamente performanti per la generazione elettrica e per la produzione combinata di energia elettrica e calore. Turboden è una società italiana che, da quasi 30 anni, progetta, costruisce, installa e provvede alla manutenzione di turbogeneratori basati sul Ciclo Rankine Organico (ORC), una tecnologia per la produzione combinata di energia elettrica e calore partendo da diverse fonti di energia. La società è stata fondata a Milano nel 1980 dall ing. Mario Gaia, professore presso il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Milano. Turboden ha mantenuto negli anni la duplice vocazione di promuovere lo sviluppo e la diffusione delle energie rinnovabili e di promuovere la ricerca e l innovazione nel settore degli ORC, posizionandosi oggi al primo posto a livello europeo per le applicazioni ORC a biomassa e ai primi posti a livello mondiale tra i player di sistemi ORC. I turbogeneratori realizzati da Turboden hanno una potenza compresa tra i 200 kw elettrici ed i 2,5 MW elettrici per i moduli standard e fino a 10 MW per le soluzioni personalizzate. Questi impianti sono caratterizzati da grande versatilità rispetto alle fonti di energia. Possono infatti produrre energia elettrica utilizzando energia solare, biomassa, fonti geotermiche e recupero di calore. Ad oggi la maggior parte dei progetti Turboden si concentra nell ambito di applicazione della cogenerazione da biomassa, ovvero la produzione combinata di calore ed energia elettrica utilizzando combustibili solidi di origine vegetale. Orc Turboden Il funzionamento del turbogeneratore a fluido organico di Turboden si basa sul ciclo Rankine organico (ORC), un ciclo simile a quello utilizzato da una tradizionale turbina a vapore, eccetto per il fluido di lavoro che, in questo caso, è un fluido organico con elevata massa molecolare. Il fluido di lavoro selezionato consente di sfruttare in modo efficace le sorgenti di calore a bassa temperatura per produrre elettricità in un ampia gamma di potenze, da alcuni kw fino a svariati MW elettrici per unità. Il fluido di lavoro organico viene vaporizzato mediante l utilizzazione di una sorgente di calore nell evaporatore. Il vapore del fluido organico si espande nella turbina e viene quindi condensato utilizzando un flusso di acqua in uno scambiatore di calore di tipo shell-and-tube. In alternativa è possibile utilizzare l aria ambiente per il raffreddamento. Il liquido condensato viene pompato nell evaporatore chiudendo così il ciclo termodinamico. Le sorgenti di calore e di raffreddamento non sono direttamente in contatto con il fluido di lavoro né con la turbina. Per le applicazioni ad alta temperatura, ad esempio centrali cogenerative a biomassa, viene utilizzato olio diatermico ad alta temperatura come vettore di calore e viene aggiunto un rigeneratore per migliorare ulteriormente le prestazioni del ciclo. Da non confondere l olio diatermico, che rappresenta il vettore energetico che trasferisce il calore contenuto nei fumi di combustione della caldaia al modulo ORC, con il fluido di lavoro, che è il fluido che attraverso l espansione in turbina compie il lavoro meccanico che sarà trasformato in energia elettrica. Acqua Molecole piccole che viaggiano ad alta velocità Erosione di parti metalliche e delle palette della turbina Turbina pluristadio ad alta sollecitazione meccanica Fluido organico Flusso elevato e più lento Maggiore diametro della turbina Minore usura nel tempodi palette e parti meccaniche Figura 1 Principali fonti di energia degli ORC: diverse sorgenti energetiche possono alimentare le unità Turboden per produrre energia elettrica e calore. Schema 1 Differenze acqua fluido organico. 1 l ambiente 4/09

2 Tra i principali vantaggi tecnici dei cicli ORC vi sono: elevata efficienza del ciclo; elevata efficienza della turbina (fino all 90%); bassa sollecitazione meccanica della turbina, dovuta alla bassa velocità periferica; bassa velocità di rotazione della turbina che consente l azionamento diretto del generatore elettrico senza riduttore di giri; assenza di erosione delle palette per l assenza di umidità nel vapore; lunga durata; funzionamento non presidiato da operatore. Il sistema presenta anche dei vantaggi operativi sulla conduzione dell impianto, quali: semplici procedure di avviamento-fermata; funzionamento silenzioso; requisiti di manutenzione minimi; buone prestazioni anche a carichi parziali; non richiesto il conduttore patentato per la gestione dell impianto. I turbogeneratori Turboden utilizzati in applicazioni cogenerative garantiscono un elevata efficienza energetica totale: circa il 20% della potenza termica disponibile alla sorgente viene convertita in energia elettrica, circa il 78% viene erogato ad una temperatura sufficientemente elevata per uso termico. Il restante 2% è da attribuirsi alle perdite termiche che si riscontrano durante il processo. Per le applicazioni non cogenerative, in cui si rinuncia o non serve l uso termico, i rendimenti elettrici possono salire fino a circa il 24%. b) L olio diatermico utilizzato come fluido termovettore di calore offre numerosi vantaggi, tra cui bassa pressione nella caldaia, elevata inerzia termica e quindi stabilità nei cambiamenti di carico, regolazione e controllo semplici e sicuri. Inoltre, la temperatura utilizzata (circa 300 C) nella parte calda dell impianto è ben al di sotto della temperatura critica degli oli diatermici sintetici normalmente usati, assicurando lunga durata agli stessi oli. L utilizzo di una caldaia ad olio diatermico consente altresì l attività senza un operatore patentato, come invece è richiesto per i sistemi a vapore in molte nazioni europee. c) Un turbogeneratore ORC è utilizzato per convertire il calore a disposizione in elettricità ed ulteriore calore a più bassa temperatura. Grazie all ORC, e quindi grazie all utilizzo di un fluido di lavoro opportunamente formulato e all ottimizzazione del progetto della macchina, si ottengono alto rendimento e alta affidabilità. Il calore di condensazione del turbogeneratore è usato per produrre acqua calda a circa C, un livello di temperatura adeguato al teleriscaldamento e ad altri usi a bassa temperatura (essiccazione del legno e raffreddamento attraverso impianti ad assorbimento, ecc.). Un impianto cogenerativo alimentato a biomassa che usa un turbogeneratore ORC si compone dei seguenti elementi: Figura 2 Esempio di un bilancio energetico di un impianto ORC per cogenerazione a biomassa. Figura 3 Schema di un applicazione cogenerativa a biomasse con modulo ORC Imp i a n t i co g e n e ra t i v i al i m e n t a t i a biomassa L energia viene prodotta con lo sfruttamento della biomassa legnosa che si ottiene come residuo dell industria forestale, del legno e del mobile, oppure mediante colture dedicate (short rotation forestry). La combustione di questi residui permette di generare calore con il quale viene riscaldato il fluido vettore che viene poi mandato in turbina. I migliori risultati si ottengono evidentemente in centrali di cogenerazione perché permettono di usare in modo molto efficiente la risorsa biomassa con la produzione di energia elettrica e calore. Normalmente, il controllo di questi sistemi si basa sul principio secondo cui la produzione elettrica segue la richiesta termica (per esempio da parte di chi utilizza l impianto di teleriscaldamento), vale a dire che la biomassa è bruciata solo in base alla richiesta di calore. Il sistema si basa sui seguenti passaggi principali: a) La biomassa è bruciata in una caldaia costruita seguendo le tecniche ampiamente consolidate in uso anche per le caldaie ad acqua calda. Queste caldaie con i loro elementi accessori (filtri, comandi, smaltimento automatico della cenere, dispositivo di rifornimento della biomassa, ecc.) sono frutto di una lunga evoluzione e si possono considerare sicure, affidabili, pulite ed efficienti. a) un sistema automatico alimentato a biomassa, in grado di far funzionare la caldaia in base alla biomassa disponibile; b) una caldaia a biomassa composta da una camera di combustione con griglie fisse o griglia mobile, raffreddata ad aria o ad acqua in base alla biomassa da bruciare. Sopra la camera di combustione è installato uno scambiatore di calore gas combusti/olio diatermico. Normalmente questo scambiatore di calore è composto da tubi a spirale in cui è assicurata una velocità dell olio diatermico relativamente alta, in modo da evitare il ristagno dello stesso. E essenziale infatti evitare surriscaldamenti locali nei tubi dell olio diatermico, in quanto questo altererebbe le caratteristiche dell olio, causando una riduzione del suo periodo di vita; c) un sistema di circolazione dell olio diatermico, che provveda al trasferimento di calore tra la caldaia e il turbogeneratore. Normalmente sono installate almeno due pompe (una in stand-by), in modo da assicurare in ogni caso la circolazione di olio attraverso la caldaia. In caso di malfunzionamento della prima pompa, la seconda si attiva automaticamente. In caso di malfunzionamento della rete elettrica, un sistema UPS (Uninterruptable Power System) fornisce l energia elettrica alla pompa. Invece di un sistema UPS, può essere installata una pompa con motore a combustione interna (gruppo elettrogeno); d) un by-pass per il riscaldamento diretto, atto a trasferire l ener- 2 L ambiente 4/09

3 gia termica dal circuito di olio diatermico al circuito dell acqua; questo by-pass è utile durante l avviamento del turbogeneratore o nel caso in cui il turbogeneratore debba essere tenuto fuori servizio per qualsiasi ragione ma debba in ogni caso essere garantita l utenza termica; e) il turbogeneratore ORC (Organic Rankine Cycle) che utilizza l energia termica derivante dall olio diatermico per vaporizzare il fluido organico all interno dell evaporatore; l energia termica che non può essere trasformata in potenza meccanica dalla turbina, si scarica nell acqua attraverso il condensatore. Le applicazioni cogenerative ideali con moduli ORC Turboden sono, al momento, tutte quelle in cui è presente la rete elettrica, una adeguata disponibilità di biomassa e una adeguata utenza termica a temperatura non superiore ai 120 C. Nel caso di utenze di tipo industriale, in cui la richiesta termica è normalmente costante durante le fasi lavorative, è facile fare una prima analisi sulla fattibilità di un impianto. Si valuta la potenza termica richiesta dal processo e se compresa indicativamente tra 1MW e 12MW è possibile individuare una soluzione cogenerativa con modulo ORC. Nel caso di potenze termiche inferiori ad 1MW non ci sono al momento disponibili soluzioni adeguate, nel caso di potenze termiche maggiori di 12MW si valuterà se è il caso di accoppiare più moduli ORC o se scegliere una tecnologia a ciclo Rankine convenzionale con acqua come fluido di lavoro. Le principali applicazioni cogenerative con moduli ORC in contesti industriali sono state realizzate presso segherie, in cui sono presenti camere di essiccazione, e presso impianti di produzione pellet, in cui sono presenti essiccatoi a nastro dove viene eliminata l umidità presente nella segatura prima che venga avviata al processo di pellettizzazione. Nel caso di utenze di tipo civile, quali teleriscaldamenti o grandi utenti nel settore terziario o sanitario, l analisi di una prima fattibilità può richiedere una maggiore attenzione. In questa tipologia di applicazione la potenza termica richiesta è quasi sempre variabile nel tempo, raggiungendo dei picchi di richiesta, normalmente nei periodi invernali, che durano un periodo limitato di ore, e dei minimi in cui la richiesta termica è molto ridotta. In questo caso l ipotesi di installare un modulo cogenerativo di taglia adeguata a soddisfare la potenza termica di picco richiesta dall utenza può rilevarsi un errore, in quanto l impianto avrà la possibilità di operare a pieno regime solo per un numero molto limitato di ore annue ed opererà per la maggior parte delle ore annue a carico parziale. Si dovrà quindi procedere ad una analisi dell andamento della richiesta termica nel tempo che porterà all individuazione della curva di durata delle potenze termiche cumulate. Una volta individuato l andamento di tale curva sarà possibile valutare, per ogni eventuale taglia di impianto, il numero di ore di esercizio equivalenti al pieno carico, dato che permetterà di sviluppare uno studio di fattibilità economica atto ad individuare la taglia di impianto che garantisce le migliori performance. I Mo d u l i HRS Turboden ha sviluppato nuovi modelli di turbogeneratori HRS in grado di garantire elevate prestazioni in termini di rendimento elettrico per contesti con forte presenza di biomassa agricola e forestale, ma con discontinua possibilità di allocare l energia termica. I modelli HRS possono sia massimizzare la produzione elettrica in contesti in cui l energia termica non trova adeguate valorizzazioni, che operare in regime cogenerativo, fornendo calore a eventuali utenze termiche stagionali e valorizzando al massimo la biomassa. In questi tipi di impianti non cogenerativi è da poco possibile, utilizzando una recente evoluzione del ciclo tradizionale ORC, portare il rendimento complessivo dell ORC fino a circa 25% (da input termico all ORC ad elettrico) quindi a valori paragonabili a quelli di impianti a vapore surriscaldato di media pressione e di potenza elettrica superiore. Questo vantaggio è stato ottenuto a fronte di: una estensione maggiore del ciclo, sia verso l alto (vapore in ingresso alla turbina) che verso il basso (diminuzione della temperatura di condensazione); una evoluzione del progetto delle turbomacchine per valorizzare i maggiori salti entalpici disponibili Figura 4 Prestazioni lorde moduli ORC Turboden HRS. Le applicazioni con HRS da biomassa legnosa presentano i seguenti vantaggi di applicabilità: Massimizzano la produzione elettrica quando non è richiesta potenza termica (non sempre facile da trovare o comunque difficile da alimentare per un numero sufficientemente elevato di ore/anno equivalenti a pieno carico). Sono potenzialmente quindi molto più proponibili sul territorio, hanno meno vincoli di posizionamento rispetto ad impianti che necessitano di utente termico. Sono generalizzabili a iniziative imprenditoriali più semplici e con costi di investimento inferiori rispetto ad impianti cogenerativi complessi. Figura 5 Rendimento elettrico totale dei turbogeneratori HRS. 3 l ambiente 4/09

4 Figura 6 Taglie standard e rendimenti di HRS per applicazioni a biomassa. Consentono comunque di produrre energia elettrica da fonte rinnovabile Per contro: La fattibilità economica dipende pesantemente dalla remunerazione dell energia elettrica, unica fonte di ricavo per l impianto. In questo senso la normativa italiana prevede un sistema di incentivazione specifico per impianti di piccola taglia (potenza inferiore a 1MW pari a 0,28/kWh). Questi impianti hanno un bacino di approvvigionamento di biomassa proveniente da aree prossime all impianto stesso, contenendo gli impatti ambientali derivanti dal trasporto di biomassa. Nelle Figure 5, 6 e 7 sono riportate le schede di prestazione di questa macchina. termini di CO 2 evitata rispetto alla sola generazione termica. Ciò si riferisce solo alla fase di gestione dell impianto non tenendo conto dell intero ciclo di vita combustibile. In conclusione, in presenza di utenze termiche adeguate è consigliabile cogenerare, o al limite produrre solo calore. Tuttavia in con- Vantaggi ambientali Nel grafico a destra è possibile osservare l andamento delle curve di: CO 2 evitata da un impianto a biomassa di sola generazione termica, CO 2 evitata da un impianto con ORC Turboden serie CHP al variare della % di termico allocato, CO 2 evitata da un impianto di sola generazione elettrica con Turboden HRS. Se paragoniamo la CO 2 evitata utilizzando impianti Turboden (CHP e HRS) con impianti di sola generazione termica, vediamo che nel caso CHP già con il 60% del termico allocato ci sia equivalenza in Figura 7 CO 2 evitata per unità di biomassa usata con i moduli ORC Turboden (CHP e HRS) a confronto con la CO 2 evitata da un impianto a biomassa per la sola generazione termica. 4 L ambiente 4/09

5 testi in cui la disponibilità di biomassa non incontra la richiesta di calore, piuttosto che destinare la biomassa in discarica (con zero grammi di CO2 evitata per kg di biomassa), è meglio valorizzarla con la generazione di sola elettricità. Applicazioni HRS Sono in fase di sviluppo e realizzazione alcuni progetti Turboden che prevedono l utilizzo dei moduli HRS. Si tratta di applicazioni in contesti agricoli in cui si utilizzano potature di vite, di ulivo, vinacce e sanse, ossia di sottoprodotti agricoli che allo stato attuale non trovano utilizzo in altre applicazioni. Per citare alcuni dei progetti più rappresentativi: progetto a Calimera (LE) che utilizza potature di ulivo per Fiusis spa, progetto di Menfi (AG) che utilizza potature di vite e vinacce seguito da ABE srl ( AlternativeBioEnergy) per la Cantina Settesoli e il progetto di Treglio (CH) che utilizza sanse e potature di ulivo per GCT srl. Produzione di energia elettrica: convenienza economica? Un investimento basato sulla sola produzione elettrica che parte da una valorizzazione della biomassa agricola fino a 70 /ton e con un incentivo di 0,28 kw/h, ha tempi di ritorno dell investimento buoni o comunque accettabili, come si può evincere dal grafico a destra. All incentivo di 0,28 kw/h va aggiunta l agevolazione fiscale prevista dall Art. 5 del Decreto, che compone la c.d. Manovra d estate finalizzata a contrastare l attuale congiuntura economica sfavorevole, che prevede una detassazione degli investimenti in impianti e macchinari ( Tremonti-ter ). I titolari di reddito d impresa possono escludere dalla tassazione, nella misura pari al 50% del valore degli investimenti, gli acquisti di macchinari ed apparecchiature effettuati nel periodo: dal 1/7/2009 al 30/6/2010. Il Regno Unito stanzia 100 milioni di sterline per i veicoli verdi In un contesto di recessione globale, il Regno Unito ha stanziato incentivi per 100 milioni di sterline nello sviluppo di veicoli elettrici. Con tale mossa intende conquistare la leadership nella transizione al mercato degli automezzi elettrici ed ibridi e accelerare il futuro sviluppo di soluzioni più verdi. Inoltre un consorzio britannico di ditte specializzate in veicoli ibridi riceverà un finanziamento per mettere a punto modelli dimostrativi di retrofit elettrici a basso costo, che consentano ai veicoli commerciali di passare dalla trazione ibrida a quella elettrica. Parlando a un recente incontro di esperti internazionali a Londra, il Segretario ai Trasporti Geoff Hoon ha delineato i passi iniziali del Governo britannico, che prevedono: a) un piano da 10 milioni di sterline per incentivare le case automobilistiche a sviluppare soluzioni elettriche e con emissioni di carbonio estremamente contenute (inferiori a 50 g di CO 2 / km); b) investimenti per 20 milioni di sterline in ricerche per la realizzazione di mezzi ecologici con migliori prestazioni a prezzi contenuti. Il programma invita i costruttori a concorrere a progetti dimostrativi che forniranno 100 veicoli elettrici alle città britanniche offrendo ad automobilisti e famiglie la possibilità di fornire indicazioni sulle mosse pratiche necessarie per rendere realmente più verde il trasporto su ruote. Il Governo ritiene che tali misure possano creare fino a posti di lavoro, che nel 2030 potrebbero salire fino a circa un milione. Il Governo si è già impegnato a rimuovere i possibili intralci alla transizione ai veicoli elettrici ed è pronto a facilitare l inserimento degli impianti per la loro ricarica nei piani di programmazione territoriale. Inoltre intende collaborare con altri Paesi nella definizione di standard internazionali e nella ricerca dei modi migliori per incoraggiare il mercato dei consumi a promuovere i mezzi a propulsione elettrica o altri sistemi low carbon. Nell ambito di un altra iniziativa del valore di 20 milioni di sterline, Il Regno Unito intende conquistare la leadership nella transizione al mercato degli automezzi elettrici ed ibridi e accelerare il futuro sviluppo di soluzioni più verdi. Alcuni distretti amministrativi di Londra offrono stazioni di ricarica gratuita; quello di Westminster ne ha ben 60. (Foto: AutoblogGreen) il Ministero dei Trasporti ha annunciato di aver selezionato dieci case automobilistiche che forniranno furgoni elettrici e a basse emissioni ad autorità locali e organismi pubblici. Tali veicoli commerciali rappresentano infatti il 15% delle emissioni sulle strade del Paese, e tale percentuale sta crescendo più di quelle di ogni altra modalità di trasporto. I costruttori prescelti Ford, Mercedes Benz, Citroën, Ashwoods, Land Rover, Modec, Smith Electric Vehicles, LDV, Nissan e Allied Vehicles dovranno fornire mezzi con emissioni inferiori a 50 g di CO 2 al Km. I Comuni di Liverpool, Newcastle, Gateshead, Coventry, Leeds e Glasgow saranno tra i primi a vedere i nuovi furgoni nelle loro strade. 5 l ambiente 4/09