Valorizzazione del calore di scarto mediante ciclo ORC di piccola taglia

Prof. Marco Marengo

Docente di Fisica Tecnica e Impianti TermotecniciDocente di Tecniche di Risparmio Energetico nell’Edilizia

Facoltà di IngegneriaUniversità di Bergamo

Indice

• Recupero dei cascami termici

• ORC: Organic Rankine Cycle

• Tecnologie

• Applicazioni possibili

• Costi e tempi di ritorno

IL RECUPERO DEL CALORE

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 (1938-2010) 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.

Il recupero dei cascami termici

TH > 90 C

Cogenerazione

Alta temperatura >90 C

Qualità del calore

Produzione separata

Alta temperatura >90 C

ORC

35

40

5

95

9 Bassa (>45 C)

temperatura

Alta (>90 C)

temperatura

Produzione separata con ORC sulle perdite

Valori massimi indicativi: ci sono sempre perdite non recuperabili. Nella realtà rimane almeno un 10% di energia non recuperata (13.9).

Per l’ORC si considerano gli autoconsumi elettrici che possono arrivare anche al 15% (dipende dalla taglia)

ORC

HR8181

20

6Produzione separata con recupero di calore

Prevalenza termica (Eth = 55)

ORC

HR118118

80

8Prevalenza elettrica (Eel = 30)

-42% energia primaria

-15% energia primaria

Attenzione: la differenza in termini di «utilizzo» (analisi exergetica) rimane nel 40% di energia termica a bassa temperatura (50 C) sul totale

ORC35

41

9

Bassa (>45 C)

temperatura

Cogenerazione con recupero di calore

ORC37

50

11

Bassa (>45 C)

temperatura

Cogenerazione con recupero di calore totale

2

+20% produzione elettrica

+12% produzione elettrica

ORC su cogeneratori

Problema dei rendimenti termodinamici

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

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 sipotrebbe arrivare ad un range tra il 14% e il 25%, per cui vi è qualche(piccolo) margine di miglioramento

IL CICLO ORC

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)

ORC: Organic Rankine Cycle

ORC: i fluidi

Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles – A review of variousapplications Bertrand F. Tchanche∗, Gr. Lambrinos, A. Frangoudakis, G. Papadakis, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 3963– 3979

Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles – A review of variousapplications Bertrand F. Tchanche∗, Gr. Lambrinos, A. Frangoudakis, G. Papadakis, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 3963– 3979

ORC: i fluidi

Potenze e temperature

500 CCiclo Rankine

Turbina a vapore

300 CCiclo Rankine

Organico

Turbina a vapore modificata

150 CCiclo Rankine

Organico

Turbina a vapore modificata

> 5 MW

400 kW<Pel <10 MW

1 kW (?) <Pel <1 MW

Pel <100 kW150 CCiclo Rankine

Organico

Tecnologia scroll

90 C

Non ancora tecnologicamente raggiungibile con efficienze e costi interessanti. Preferibile usare sistemi frigoriferi ad assorbimento, robusti e performanti

Tem

peratu

ra d

isp

on

ibile

LE TECNOLOGIE

Impianto ORC

Schema generico impianto di recupero con valorizzazione in ciclo ORC.

Generazione energia elettrica da calore proveniente dafonti diverse, rinnovabili e fossili, anche a basse T.

Recupero calore

Ciclo ORCSmaltimento

calore in eccesso

Fumi caldi: 150 C < T <

500 C

Caldaia a recupero

Fluido vettore: 110 C < T <

270 C

Fluido vettore:

150 C < T < 300 C

Fumi freddi: T>120 C

Raffreddamento: 50 C < T < 90 C

Fluido vettore: T < 40 C

Ciclo ORC

Schema ciclo ORC

FASE 1:

EVAPORATORE:scambio tra vettore termico e fluido organico con generazione di vapore in pressione.

EVAPORATORE

CALORE DI RECUPERO

Turbina

Generatore

EE

Rigeneratore

Condensatore

Pompa

Recupero bassa T o torre evaporativa

Ciclo ORC

FASE 2:

Il vapore in pressione aziona la TURBINA.

Nel GENERATORE EE l’energia meccanica viene convertita in elettrica.

Schema ciclo ORC

Evaporatore

Calore di recupero

TURBINA

Rigeneratore

Condensatore

Pompa

GENERATORE

EE

Recupero bassa T o torre evaporativa

Ciclo ORC

FASE 3:

RECUPERO di energia termica a temperatura inferiore attraversoRIGENERATORE /CONDENSATORE.

Vapore liquido

Schema ciclo ORC

Evaporatore

Calore di recupero

Turbina

RIGENERATORE

CONDENSATORE

Pompa

RECUPEROBASSA T o TORRE EVAPORATIVA

Generatore

EE

Ciclo ORC

POMPA:

circolazione del fluido con ridotto impiego di energia elettrica.

Schema ciclo ORC

Evaporatore

Calore di recupero

Turbina

Rigeneratore

Condensatore

POMPA

Generatore

EE

Recupero bassa T o torre evaporativa

I PRODUTTORI

ORC

< 50kWel

Segue una lista (non esaustiva) di produttori

Infinity Turbine ® - Organic Rankine Cycle ORC

50 kWel

Espansore volumetrico

Tev > 130 C

Electratherm

30 – 65 kWel

Espansore screw

Tev > 88 C

Calnetix

125 kWel

Microturbina

Tev > 120 C

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

Piglet

Microturbina

43 – 70 kWel

Renex

30-180 kWel

Microturbina

Tev > 130 C

Rendimento dichiarato:

12.5%

Freepower

85 kWel, 120 kWel

Microturbina

Tev > 120 C e fino a 270 C

LE APPLICAZIONI

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, eccGenerazione 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.

BIOMASSA Solida: legno, cippato, trucioli, corteccia, sansa, lolla,

nocciolino ecc…

Alimentazione dell’ORC tramite una caldaia ad acqua surriscaldata a 150 C.

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.

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.

Cosa si può valorizzare?

IL MERCATO

Competitors

Log Pel – kW10 100 1000 10000200050030 50

T fluido - C

100

200

300

400

5

Azienda 1

Azienda 2

Azienda 3

Azienda 4

Azienda 5

Azienda 6

Prezzi indicativi degli impianti

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.

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.

FINE

Si ringrazia la società ICENOVA srl per la gentile collaborazione

Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles – A review of variousapplications Bertrand F. Tchanche∗, Gr. Lambrinos, A. Frangoudakis, G. Papadakis, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 3963– 3979