Microturbine a Vapore e ORC per aumentare l efficienza energetica nei processi termici industriali. Tecnologie e soluzioni

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1 Microturbine a Vapore e ORC per aumentare l efficienza energetica nei processi termici industriali Tecnologie e soluzioni EnergiaMedia - Modena 29 Aprile 2014 Alessandro Dorigati Ingeco/Progeco 1

2 IL VAPORE NEI PROCESSI E NELLE MACCHINE A partire dalla prima rivoluzione industriale, il vapore è stato ed è tutt ora il vettore energetico per eccellenza. Industrie alimentari, chimiche, tessili, cartarie, farmaceutiche e molte altre fondano i loro processi sull utilizzo del vapore come vettore termico. Grazie alle sue caratteristiche termodinamiche, al basso costo e al basso impatto ambientale, il vapore è anche il fluido più utilizzato nei cicli termodinamici per la produzione di energia. Se fino a ieri il vapore è stato usato quasi esclusivamente in grandi impianti termoelettrici, le nuove tecnologie dei materiali e delle macchine termodinamiche (turbine) offrono oggi la possibilità di costruire piccoli impianti a vapore saturo da inserire nei processi industriali, combinando così l utilizzo del vapore prima come fluido termodinamico, per la produzione di energia elettrica distribuita, e poi come vettore termico per i processi. 2

3 Possibili applicazioni COGENERAZIONE CON TURBINA A VAPORE IN CONTROPRESSIONE Cogenerazione a biomasse o con combustibili tradizionali: -Industria del legno (per essiccatoi e sistemi di trattamento del legno) -Processi industriali con utilizzo di vapore (alimentare, chimica, ecc) -Teleriscaldamenti

4 COGENERAZIONE CON TURBINA A VAPORE IN CONTROPRESSIONE Fuel Il vantaggio della cogenerazione con turbina in contropressione sta nel fatto che la maggior parte del calore prodotto (~85%) resta disponibile per il processo, mentre il 15% assorbito in turbina (condensato) si trasforma quasi interamente (12%) in energia elettrica. Si ha quindi il recupero quasi totale del calore di condensazione del ciclo termodinamico, con un efficienza globale del sistema superiore al 95% dell energia primaria immessa con il combustibile.

5 Possibili applicazioni RIDUZIONE DELLA PRESSIONE DEL VAPORE CON RECUPERO ENERGETICO Su impianti a vapore esistenti, dove il vapore viene prodotto ad una certa pressione e ridotto a pressione inferiore per gli utilizzi termici, le microturbine, in parallelo alle valvole di laminazione, consentono di recuperare l energia della pressione e trasformarla in energia elettrica, scaricando poi il vapore a pressione ridotta sulla rete degli utilizzi.

6 Le nuove Microturbine a vapor saturo della serie Steam Cycle compatte e ad alta efficienza nel range da kWel con pressioni da 5 a 25Barg

7 La Tecnologia Le turbine della serie STEAM CYCLE sono il frutto di una ricerca finalizzata all utilizzo efficiente del vapor saturo con pressioni fino a 25Barg, con condensazione in contro-pressione fino a 10Barg. L utilizzo del Titanio per il rotore, soggetto al rischio di erosione da parte delle goccioline di condensa, garantisce la durata nel tempo delle macchine. Il design radiale-outflow, con uno o due stadi ricavati sulla stessa ruota, consente una straordinaria compattezza della macchina, l ottimizzazione dei costi e soprattutto la possibilità di costruire facilmente turbine adatte a condizioni di pressione e portata diverse senza modificare il profili fluidodinamici della ruota

8 Microturbina SC100 - potenza nominale max 100kWel - buona modulazione da 40 a 100kW in funzione della portata - tensione di uscita 400V 50Hz - accoppiamento diretto turbina generatore - generatore a magneti permanenti - velocità fino a giri/min - conversione statica dell energia elettrica alla frequenza di rete, mediante raddrizzatore ed inverter - 1 o 2 stadi in funzione del salto di pressione - Max Pin = 25Barg - Max Pout = 10Barg - quadri controllo e potenza inclusi - pannello operatore 10

9 Skid Microturbina SC100 Lo skid è studiato per ottimizzare la prefabbricazione in officina e comprende: - il By-Pass, - gli scarichi condense - i quadri di potenza e controllo

10 A partire dalla condizioni di pressione e portata di vapore nominali la turbina modula molto bene ai carichi parziali con una caratteristica lineare

11 Microturbina SC270 - potenza nominale max 270kWel - buona modulazione da 100 a 270kW in funzione della portata - tensione di uscita 400V 50Hz - accoppiamento turbina-generatore con riduttore di giri meccanico - generatore asincrono 2 poli - velocità fino a giri/min - 1 o 2 stadi in funzione del salto di pressione - Max Pin = 25Barg - Max Pout = 10Barg - quadri controllo e potenza inclusi - pannello operatore 10

12 A partire dalla condizioni di pressione e portata di vapore nominali la turbina modula molto bene ai carichi parziali con una caratteristica lineare

13 Gli ORC a bassa temperatura Gli ORC (Organic Rankine Cycle) a bassa temperatura utilizzano come fluido organico un refrigerante, di solito l R245FA, cioè un fluido del tipo di quelli usati anche nei cicli frigoriferi, che a pressione ambiente (1 Bar a) evapora già a circa 14 C. Questa proprietà fa si che, a temperature dell ordine dei C, raggiunga pressioni tra 12 e 19Bar, adatte per un espansione in turbina o similari. Grazie a queste proprietà gli ORC che utilizzano questi fluidi sono molto efficienti per recuperare cascami termici a bassa temperatura, fino ad arrivare a condensare alla temperatura ambiente, dove, al contrario, il vapore richiederebbe di condensare sotto vuoto con sezioni di passaggio delle macchine molto grandi e costi più elevati. Un altra importante caratteristica degli HFC è che non sono ne infiammabili ne tossici e non danneggiano l Ozono. 13

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15 Vapore 121,8 C 15,5 bar Modulo di potenza integrato (IPM) Potenza generata 125 kw Vapore 62,2 C 2,1 bar Organic Rankine Cycle Vapore 36,1 C 1,7 bar Evaporatore Liquido 40,3 C 15,8 bar Sorgente di calore 3,34 MBTU/ora ( 900 kw) Economizzatore Liquido 22,5 C 15,9 bar R245fa Liquido 21,1 C 1,5 bar Ricevitore Pompa Aria ambiente a 15 C (condizioni ISO) 60% umidità relativa Condensatore ad acqua

16 RECUPERO DI CASCAMI TERMICI A BASSA TEMPERATURA - Recupero di cascami termici da una grande varietà di processi industriali (industria ceramica, laterizi, cementifici, vetrerie, industria metallurgica, inceneritori) - Il punto più delicato è lo scambiatore sui fumi, soggetto a polveri e rischio corrosione, occorre stare con discreto margine sopra il punto di rugiada - Produzione di energia elettrica con accesso ai CERTIFICATI BIANCHI 16

17 RECUPERO DI CASCAMI TERMICI AD ALTA TEMPERATURA COMBI CYCLE Ciclo combinato Vapore+ORC Alta Temp C Vapor saturo 20 5Bar Bassa Temp C Fluido organico 16 1,5Bar

18 Alta Temp C Vapor saturo 20 5Bar Bassa Temp C Fluido organico 16 1,5Bar Vapore molto efficiente su medio alte temperature (T>150 C), volume specifico contenuto Fluido organico molto efficiente su basse temperature (T<150 C), bassa temperatura di evaporazione, inoltre non condensa in turbina Combinando i vantaggi dei due fluidi si ottiene un sistema affidabile con elevata efficienza elettrica (> 19%) Costi contenuti, nessun fluido pericoloso per tossicità esplosione o incendio, funzionamento automatico

19 Generatore ORC Clean Cycle Il generatore Clean Cycle converte l energia termica in elettricità nel range di temperatura da 150 C a 30/40 C Più di 20 unità installate in Italia, le più vecchie sono in funzione da 4 anni con buona soddisfazione dei clienti Caratteristiche tecniche Potenza 120 kwe lordi nominali Tensione 3Ø, da 400 a 480 Frequenza 50/60 Hz Temp. in ingresso C Peso 2900 kg Fluido di lavoro R245FA (refrigerante ecocompatibile) Vantaggi per il cliente - Funzionamento automatico semplice da gestire - Assenza di fluidi pericolosi - Flessibilità ai carichi parziali - Alta efficienza in relazione alle temperature - Bassa manutenzione

20 Generatore-espansore IPM Cuscinetto magnetico combinato Statore del generatore Rotore PM (magneti permanenti) Cuscinetto magnetico radiale Girante incorporata su albero comune

21 Elettronica di potenza: CA/CC/CA Raddrizzatore Elettronica di potenza Inverter Generatore a recupero di calore IGBT fase A IGBT fase B Batteria di condensa tori IGBT fase C IGBT fase B Rete IGBT fase C IGBT fase A ~600 V, ~900 Hz 480 V, 60 Hz CC con ripple CC

22 Recupero termico su processo industriale con utilizzo vapore di processo (Liguria) L impianto Combi Cycle 200 utilizza i cascami termici a valle di un processo di postcombustione producendo vapore che viene utilizzato in parte nel processo industriale ed il resto per produrre energia elettrica che è poi incentivata con i Certificati Bianchi 22

23 Valorizzazione degli scarti di un mobilificio (PN) L impianto è stato creato per valorizzare il polverino sottoprodotto delle lavorazioni di un mobilificio. Il calore di condensazione dei 2 ORC serve a preriscaldare l aria in ingresso al sistema di riscaldamento della fabbrica, riducendo così significativamente il prelievo di calore dalla caldaia. 23

24 Valorizzazione degli scarti nell industria del legno (PV) L impianto è stato creato per valorizzare i sottoprodotti di uno stabilimento per la produzione di pannelli di legno. 24

25 Caldaia a biomassa a Biella L impianto è stato creato per valorizzare la biomassa di scarto derivante dalla raccolta delle potature e scarti agricoli, che precedentemente andavano in discarica Funzionalità: Riscaldamento capannoni industriali Generazione energia elettrica Discarica evitata 25

26 Configurazione Caldaia a biomassa a Biella Caldaia a cippato a griglia mobile N 2 Clean Cycle WHG125 N 2 Torri evaporative 26

27 Recupero su motore a biogas Pramaggiore (VE) Clean Cycle per il recupero dell energia dei fumi ed in parte anche quella dell acqua di raffreddamento su motore a biogas 27

28 PROGECO e la sua consociata INGECO sono a Silea (Treviso) con stabilimento di produzione di mq PROGECO è dal 2009 Distributore di GENERAL ELECTRIC - Heat Recovery Solutions PROGECO Progetta e costruisce applicazioni di cogenerazione da recupero di cascami termici industriali oltre a sistemi di distribuzione elettrica e automazione INGECO Progetta e costruisce applicazioni di cogenerazione da fonti rinnovabili Biomasse, Solare Termodinamico, recupero su motori stazionari ecc. 28

29 Distributor GE Energy GRAZIE PER L ATTENZIONE alessandro.dorigati@ingeco-enr.it alessandro.dorigati@progecoweb.it INGECO srl Via Alzaia sul Sile 26/D SILEA (TV) Tel