Taglia impianto [kw]

Le tecnologie per la generazione distribuita

Rend dimento elettrico % Principali Pi i lit tecnologie di generazione elettrica 80 70 60 50 40 30 20 Mot. Stirling Cicli ibridi con FC + turbina a gas Celle a combustibile TV TG AD Cicli combinati TG HD USC e IGCC 10 Micro-turbine a gas Motori a c.i TPV 0 0 1 10 100 1000 10 4 10 5 10 6 Taglia impianto [kw]

Potenzialità cogenerative delle principali tecnologie (recupero totale del calore) (η e,rif = 0.52, η th,rif = 0. 90) (η e,rif = 0.40, η th,rif = 0. 80)

Le tecnologie consolidate per la cogenerazione Motori alternativi a combustione interna Micro turbine a gas

Motori a Combustione Interna alternativi (MCI) VANTAGGI taglie da 1 kw e a circa 5 MW e tecnologia matura impiegata in diversi campi elevata affidabilità buoni rendimenti di conversione costi di investimento t contenuti ti elevata flessibilità di esercizio SVANTAGGI elevati costi di manutenzione (8 25 /MWh) rumorosità e vibrazioni elevati valori delle emissioni (NOx e CO)

MCI Motori a ciclo Otto (o ad accensione comandata, in quanto necessitano di un sistema che inneschi la combustione ad ogni ciclo) Motori a ciclo Diesel (o ad accensione spontanea, in quanto la combustione si innesca spontaneamente ad ogni ciclo quando il combustibile viene iniettato in seno al comburente, che si trova in condizioni di temperatura e pressione che permettono l autoaccensione del combustibile iniettato) i t

MCI Motori a ciclo Otto (o ad accensione comandata, in quanto necessitano di un sistema che inneschi la combustione ad ogni ciclo) Motori a ciclo Diesel (o ad accensione spontanea, in quanto la combustione si innesca spontaneamente ad ogni ciclo quando il combustibile viene iniettato in seno al comburente, che si trova in condizioni di temperatura e pressione che permettono l autoaccensione del combustibile iniettato) i t Motori a quattro tempi Motori a due tempi

MCI per uso industriale/civile Motori a gas naturale a ciclo Otto (r = 10; normali, lean burn o a carica stratificata) o a ciclo Diesel (depotenziati e con aggiunta di una candela), η e = 25-40 %, Motori dual fuel (ciclo Diesel alimentati a gas + 1 10 % di gasolio) Sovralimentati con turbocompressore e intercooler (sopra i 150 kw e e) Motori a ciclo Otto a gas naturale P e < 5 kw e, η e = 20-25 % (a giri variabili con elettronica di potenza)

I costi specifici dei MCI 6000 Cost to specific co [ /kw] 5000 4000 3000 2000 1000 0 1 10 100 1000 Taglia [kw elettrici]

0.44 0.40 Le prestazioni dei MCI: effetto taglia sul rendimento elettrico Rendim mento elet ttrico 0.36 0.32 0.28 0.24 0.20 0 200 400 600 800 1000 Taglia [kw elettrici] i]

Schema cogenerativo con MCI da 1 MWe

Bilancio energetico di un MCI da 1 MWe 13,5 % energia elettrica intercooler olio acqua raffr. fumi perdite 37% fumi - T > 400 C 24,6% Acqua di raffr. - T 90-95 C 10,6% 7,5 % 6,5 % intercooler - T 30/40 C olio - T 75-85 C

Schema cogenerativo con MCI da 5 kwe Scarico fumi ~ 80 C costanti Scambiatore fumi Pompa acqua raffreddamento Valvola termostatica Scambiatore olio lubrificaz. Blocco motore Gen. El. max. 73 C

Bilancio energetico di un MCI da 5 kwe energia elettrica energia termica perdite 12 % 27% 61%

Le Micro Turbine a Gas (potenze < 250 kwe) Non sono uno scale-down delle turbine a gas industriali, ma nascono da una nuova progettazione: turbina e compressori radiali ciclo rigenerativo a basso rapporto di compressione (β=4) elevata velocità di rotazione variabile (50.000 120.000 rpm) turbine non raffreddate (TIT < 950 C)

MTG sul mercato Costruttore Modello Pe [kwe] ηe [%] ηt [%] velocità [rpm] β T fumi [ C] (no CHP) Capstone C30 30 26-96000 3.5 275 Capstone C60 60 28 53.7 96000 3.7 360 Capstone C65 65 29 50.0 96000 3.7 309 Ingersoll Rand MT70 70 28 40.0 44000-210 Bowman TG80CG 80 26 48.8 68000-278 Elliott TA80 80 28 60.0-4.0 230 Elliott TA100 100 29 50.0-4.0 293 Turbec T100 100 30 46.5 70000 4.5 270 Capstone C200 190 31 40.00 65000-280 Ingersoll Rand MT250 250 30 44.6 45000-249 Capstone C1000* 1000 33 - - - 275 * Package ottenuto con 5 moduli C200

Schema di cogenerazione con MTG TOT 250 C ε 85 % NOx 10 ppm @ 15% O 2 η 30% P th /P e 1,5 η 97% η 93%

Bilancio energetico di una MTG da 100 kwe energia elettrica fumi perdite 23 % 30 % 47 %

MTG vs MCI VANTAGGI MTG ridotte emissioni di NOx e CO (<10 ppm @ 15% O2) ingombri e pesi contenuti bassa rumorosità e vibrazioni manutenzione ridotta (ogni 10.000 ore) SVANTAGGI MTG tecnologia emergente costo o specifico co elevato eva (1100 /kw) rendimenti elettrici inferiori bassa temperatura fumi (250 C) elevata vita utile (80.000 ore)

Le tecnologie non ancora consolidate per la cogenerazione Motori Stirling Micro cicli Rankine (a vapore d acqua e ORC)

Il motore Stirling opera secondo un ciclo chiuso a gas (elio, azoto, aria) combustione esterna e continua (libertà sulla scelta del combustibile, minori emissioni gassose e sonore) calore introdotto e scaricato attraverso scambiatori di calore rigenerazione completa del calore lungo le isocore T max T min η t = 1 - (T min /T max ) rendimento del ciclo termodinamico ideale

1-2 2-3 V=cost V=cost 3-4 4-1 V=cost V=cost

compressione refriger. (1-2) trasferimento recupero cal. (2-3) espansione trasferimento riscald. (3-4) cessione cal. (4-1) www.keveney.com

Motore Stirling: architetture a guida cinematica α β γ

Motore Stirling: architetture a pistoni liberi

Motore Stirling: ciclo ideale vs reale variazione del volume continua (e non discontinua); introduzione e scarico calore attraverso scambiatori di calore esterni; spazio morto (rigeneratore, tubi, scambiatori) che riduce il rapporto di compressione; perdite di calore e inerzia termica del rigeneratore; perdite di pressione attraverso gli scambiatori ed il rigeneratore; trafilamenti tra cilindro e pistone; attriti meccanici; ecc.

Motore Stirling: ciclo ideale vs reale η e P = e = ηbηt ηiη mηoη P fuel gen.el. = 0.08 0.35 η = 0.85-0.92 rendimento del bruciatore b η t = 0.65-0.72 rendimento del ciclo termodinamico ideale η i = 0.24-0.63 rendimento indicato (rapporto tra lavoro dei cicli di indicatore reale e ideale) η m = 0.75-0.95 rendimento meccanico η o = 0.85-0.90 rendimento organico η gen.el. = 0.96-0.98 rendimento del generatore elettrico

possibile recupero di flussi termici a bassa temperatura (250 C) taglie fino a qualche centinaio di kw e η e =10-35 % www.energyconcepts.co.uk

possibile recupero di flussi termici a bassa temperatura (250 C) taglie fino a qualche centinaio di kw e η e =10-35 % elevati tempi di avviamento complessità e varietà di architetture costi 3000-35003500 /kw e www.energyconcepts.co.uk

Applicazioni del motore Stirling Sistemi propulsivi per sottomarini Kockums AB (Svezia) Sottomarino classe Gotland www.kockums.se

Applicazioni del motore Stirling Sistemi propulsivi per sottomarini Sistemi criogenici (frigorifero a ciclo Stirling)

Applicazioni del motore Stirling Sistemi propulsivi per sottomarini Sistemi criogenici (frigorifero a ciclo Stirling) Sistemi di generazione elettrica (anche in assetto cogenerativo)

Disenco P e = 3 kw e P th = 12-18 kw th η U = 92 % www.disenco.com

www.infiniacorp.com com Infinia P e = 1 kw e P th = 6.4 kw th η e = 12.5 % η th = 800% 80.0 η U = 92.5 % Linear Free Piston Stirling Engine (LFPSE) RINAI

Infinia applicazione solare P e = 3 kw e (specchi puliti, T amb = 20 C, insolazione 850 W/m 2 )

Microgen P e = 1 kw e P th = 6 kw th η e = 13.5 % η th = 811% 81.1 η U = 94.6 % www.microgen-engine.com

Microgen P e = 1 kw e P th = 6 kw th η e = 13.5 % η th = 811% 81.1 η U = 94.6 % Linear Free Piston Stirling Engine (LFPSE) Microgen www.microgen-engine.com

Microgen applicazione solare

Stirling Energy Systems (SES) (USA) Motore Stirling ad energia solare www.stirlingenergy.com

Stirling Systems (già SOLO STIRLING) (Germania) a) www.stirling-engine.de

Stirling Danmark P e = 35 kw e η e = 28 % www.stirling.dk

STM Corporation P e = 55 kw e P th = 91 kw th η e = 30 % η th = 50 % η U = 80 %

Stirling Biopower P e = 38 kw e P th = 68-71 kw th η e = 27-28 % η U = 75-80 % www.stirlingbiopower.com

Sunmachine (Germania) Motore Stirling cogenerativo alimentato a pellet www.sunmachine.com

WhisperTech P e = 1 kw e P th = 7 kw th www.whispergen.com

Posizionamento Stirling, MCI e MTG rispetto alla normativa sulla cogenerazione (combustibile GN, utilizzo del calore in ambito civile) 10 1.0 0.9 oire 0.8 = 0.10 0.7 0.6 0.5 0.4 E.E. autoconsumata (BT) E.E. immessa in rete (MT) 03 0.3 Stirling 0.2 MCI (Pe < 100 kw) LT = 0.33 MCI (100 < Pe [kw] < 1000) 0.1 MTG 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Rendim mento termico Rendimento elettrico

Micro cicli cicli Rankine Basati sul ciclo a vapore (ciclo Rankine) Il calore viene introdotto per combustione esterna in una caldaia e trasferito al fluido di lavoro tramite uno scambiatore Il fluido di lavoro può essere vapore d acqua oppure un fluido organico (ORC Organic Rankine Cycle) T

Tecnologia consolidata Combustione esterna (possibilità di utilizzare combustibili di natura diversa) Possibilità di utilizzare il calore scaricato da MTG o MCI (micro-cicli combinati gas-vapore) I cicli a fluido organico (ORC) consentono di superare alcuni limiti imposti dall utilizzo del vapore d acqua.

Vantaggi del fluido organico rispetto al vapor d acqua Basse temperature della sorgente di calore (comprese tra i 100 e 400 C) Basse pressioni di vaporizzazione, anche per condizioni prossime a quelle critiche Modesti salti entalpici da sfruttare ed elevati pesi molecolari del fluido di lavoro, con conseguente possibilità di utilizzo di turbine con basso numero di stadi (anche uno solo) e dalle velocità di rotazione ridotte (accoppiamento diretto al generatore elettrico)

Turboden (Italia) Moduli liorc T500-CHP T600-CHP T800-CHP T1100-CHP T1500-CHP Sorgente di calore Olio diatermico in circuito chiuso Olio diatermico in circuito chiuso Olio diatermico in circuito chiuso Olio diatermico in circuito chiuso Olio diatermico in circuito chiuso Temperatura nominale dell'olio diatermico (ingresso / uscita) 300 / 250 C 300 / 250 C 300 / 250 C 300 / 250 C 300 / 250 C Potenza termica ceduta dall'olio 2900 kw 3500 kw 4500 kw 6200 kw 8700 kw Temperatura dell'acqua calda (ingresso / uscita) 60 / 80 C 60 / 80 C 60 / 80 C 60 / 80 C 60 / 90 C Potenza termica al teleriscaldamento 2320 kw 2800 kw 3580kW 4930 kw 6975 kw Potenza elettrica attiva netta 500 kw 600 kw 800 kw 1100 kw 1500 kw Rendimento elettrico 17 % 17 % 18 % 18 % 17 % Rendimento I principio 97 % 97 % 97% 97 % 97 % Costo: 900 1600 Euro/kW e

Cogen Microsystem (Australia) H 2 O espansore tipo scroll P e = 2.5-10 kw e P th = 11-44 kw th Commercializzazione: 2010 www.cogenmicro.com

Energetix (UK) ORC espansore tipo scroll P e = 1 kw e, P th = 10 kw th Commercializzazione: 2008 www.energetixgroup.com

Otag (Germania) H 2 O espansore volumetrico P e = 2.1 kw e, P th = 16 kw th In commercio dal 2006 www.otag.de