Termotecnica Pompe di Industriale

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1 Termotecnica Pompe di Industriale Calore

2 Microturbine a Vapore saturo, Microturbine a gas e ORC per l efficienza energetica e la cogenerazione Tecnologie e soluzioni McTer - Milano 25 Giugno 2014 Alessandro Dorigati Ingeco/Progeco

3 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

4 Possibili applicazioni COGENERAZIONE CON TURBINA A VAPORE IN CONTROPRESSIONE -Processi industriali con utilizzo di vapore Industria: alimentare, tessile, chimica, trattamento legno, ecc. -Teleriscaldamenti

5 Possibili applicazioni 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.

6 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.

7 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

8 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

9 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

10 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

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

12 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

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

14 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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16 COME FUNZIONA Modulo di potenza integrato (IPM) Potenza generata 125 kw Organic Rankine Cycle Vapore 121,8 C 15,5 bar Vapore 62,2 C 2,1 bar 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

17 Clean Cycle Generatore ORC Il generatore Clean Cycle converte l energia termica in elettricità nel range di temperatura da 150 C a 30/40 C Più di 25 unità installate in Italia, le più vecchie sono in funzione da 4 anni con buona soddisfazione dei clienti Caratteristiche tecniche Potenza 125 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

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

19 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

20 Altri ORC di piccola potenza INGECO, in partnership con costruttori di turbine ORC, propone una gamma di macchine di piccola potenza appositamente studiate per il recupero di cascami termici Potenze da 5 a 100KW Range di temperatura da 80 C a 200 C Fluidi utilizzati R-134A, R-245FA, R-365MFC

21 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

22 Possibili applicazioni 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 21

23 Possibili applicazioni RECUPERO ENERGIA TERMICA SU MOTORI STAZIONARI Possibilità di recupero di energia termica dai fumi di scarico e in parte dall acqua di raffreddamento Aumento del rendimento del motore con risparmio di combustibile 22

24 Possibili applicazioni COMBI CYCLE Ciclo combinato Vapore+ORC Alta Temp C Vapor saturo 20 5Bar Bassa Temp C Fluido organico 16 1,5Bar

25 Possibili applicazioni 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

26 Possibili applicazioni COMBI CYCLE 200 CHP Massima tariffa onnicomprensiva Con potenza inferiore a 200KW basta la dichiarazione in comune con l eventuale PAS per la parte edile

27 Possibili applicazioni TELERISCALDAMENTO In un teleriscaldamento a biomasse la caldaia non riesce a modulare bene in funzione del carico termico (min 50%), grazie all ORC si può assorbire energia per mantenere il carico della caldaia sopra il 50%.

28 Possibili applicazioni TELERISCALDAMENTO Il riscaldamento è quasi sempre utilizzato per max 8-10 ore al giorno. In questo modo, accumulando energia termica nelle ore vuote si può avere a disposizione una potenza di picco 2 o 3 volte superiore

29 Possibili applicazioni TELERISCALDAMENTO CON COMBI CYCLE SI HA IL MASSIMO SFRUTTAMENTO DEL COMBUSTIBILE IN TUTTE LE STAGIONI 1. Caldaia e Turbina a vapore lavorano sempre alla massima potenza 2. L energia termica che non viene richiesta dal teleriscaldamento viene utilizzata nell ORC per fare energia elettrica, e viene sfruttata al massimo grazie alla condensazione a C

30 Possibili applicazioni UN APPLICAZIONE TRA LE PIÙ INTERESSANTI COGENERAZIONE PER SERRE VENDITA ENERGIA ELETTRICA + RISPARMIO COMBUSTIBILE PER RISCALDAMENTO 1. Riscaldamento radiante a bassa temperatura, acqua a C 2. Integrazione con riscaldamento a temperatura superiore (di solito acqua a C) solo nei periodi più freddi

31 Possibili applicazioni

32 COGENERAZIONE CON MICROTURBINE A GAS C o m b u s t i b i l e 30% 60% En Elettrica Calore 10% Perdite Vantaggi delle Microturbine a gas: silenziosità, bassa manutenzione, basse emissioni, dimensioni ridotte

33 MICROTURBINE A GAS CAMPI DI APPLICAZIONE INGECO, Heating A Heating + power (decentralised) Agriculture Hotels Restaurants Business Industry Residential Public facilities Drying B Drying with hot exhaust gases (direct) Agriculture Business Industry Seawage and waste water treatment Steam C Quantity process heat Requirement (direct) Agriculture Business Manufacturing Recycling & pro-cessing Distillation and Bier Cooling D Combination with process cryogenics (decentralised) Shopping centres Cooling facilities Hotels Restaurants Data processing Residential areas Public facilities

34 COGENERAZIONE Fuel Fuel filter Fuel pump/compressor Recuperator Combustion chamber Air Air filter Turbine Generator G Power Inlet Compressor Thermal Exhaust air Heat exchanger

35 COGENERAZIONE CON BRUCIATORE BOOSTER O PRERISCALDO ARIA COMBURENTE PER CALDAIE INDUSTRIALI Fuel Fuel filter Fuel compressor Recuperator Combustion chamber Air Air filter Turbine Generator G Power Air compressor Peak load burner Thermal Air/Fluid Fuel Peak load blower Shut-off valve Mixing valve Fuel valve Heat exchanger Exhaust air

36 LA NUOVA MICRO TURBINA A GAS QIP Disponibile da fine anno 2014

37 MICROTURBINA A GAS QIP DI BILFINGER Factor Value Comment 1 Power - electric V / 50Hz 2 Power - thermal kw Depending on integration effectiveness 3 Hot gas temperature 300 C Typical direct exhaust temperature 4 Hot gas mass flow 0,8 kg/s 5 Width / Depth / Height 3.0 / 1.5 / 2.0 Metres, integrated into 1 enclosure 6 Efficiency - electric > 30% Natural Gas 7 Efficiency - thermal 60% High efficiency heat exchanger 8 Availability > 95% At standard planned maintenance intervals 9

38 MICROTURBINA A GAS QIP DI BILFINGER Factor Value Comment 1 Noise Level 70 db A AT 1mtr 2 Availability > 95% At normal planned maintenance intervals* 3 * Inspection / replace 8000 hours Injectors, Air and Fuel Filters 4 * Planned replacement 40,000 hours Combustion and generator (engine credit) 5 * Lifetime 100,000 hours Forecast against material construction 6 Emissions (NO x, CO) < 9ppm NO x Significantly below current Euro eco requirements 7

39 Realizzazioni 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 38

40 Realizzazioni Configurazione Caldaia a biomassa a Biella Caldaia a cippato a griglia mobile N 2 Clean Cycle WHG125 N 2 Torri evaporative 39

41 Realizzazioni Caldaia a biomassa a Bernalda (MT) Configurazione Caldaia ad acqua surriscaldata 150 C N 3 Clean Cycle 125 N 3 Torri evaporative Assetto cogenerativo per il riscaldamento di serre 40

42 Realizzazioni Caldaia a biomassa a Bernalda (MT) L impianto è stato creato per valorizzare la biomassa di scarto derivante dalla raccolta delle potature e scarti agricoli, della provincia di Matera 41

43 Realizzazioni Caldaia a Biomassa + Solare CSP a Noto (SR) L impianto Combi Cycle 200 utilizza un campo solare tipo Fresnel e una caldaia con la biomassa di scarto derivante dalla raccolta delle potature e scarti agricoli, nell area di Noto 42

44 Realizzazioni Combi Cycle 200 per valorizzazione biomasse di scarto della filiera dell olio (sansa e potature) 43

45 Realizzazioni Combi Cycle 200 per valorizzazione biomasse di scarto della filiera dell olio (sansa e potature) 44

46 Realizzazioni Impianto da 200kW a Ciclo Combinato alimentato a Pollina - Lodi L impianto è stato creato per valorizzare la biomassa di scarto (pollina) prodotta da una azienda avicola, evitando così il problema dello smaltimento Funzionalità: Riscaldamento capannoni Generazione energia elettrica Spargimento evitato 45

47 Configurazione Caldaia speciale a griglia mobile N 1 Turbina a vapore 65kW N 1 ORC 125kW Realizzazioni Impianto da 200kW a Ciclo Combinato alimentato a Pollina - Lodi 46

48 Realizzazioni 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 47

49 Realizzazioni Recupero termico su processo industriale con utilizzo vapore di processo (Liguria) 48

50 Realizzazioni 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. 49

51 Realizzazioni 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. 50

52 Realizzazioni 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 51

53 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. 52

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