I sistemi ORC Turboden in applicazioni a biomassa,
geotermia e nei recuperi da processi industriali
Alessandro Foresti
Riccardo Vescovo
Francesco Campana
3E - Energy, Efficiency and Environment
Milano, 11 luglio 2013
13-COM.P-12-rev.1
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Le applicazioni ORC (Organic Rankine Cycle)
elettricità
calore
Biomassa
Recupero
Calore
Geotermia
Solare
Termodinamico
Taglie ORC Turboden:
Standard: 300 kW - 10 MW
Macchine speciali > 10 MW
Turbina
Generatore
Rigeneratore
Acqua
Condensatore
Evaporatore
Pompa
Fluido Vettore
Energia Elettrica
Tem
per
atu
ra
Entropia
I sistemi ORC sono una tecnologia matura per la generazione distribuita
da rinnovabili e recupero di calore provata in tutto il mondo
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ORC vs. tradizionali cicli a vapore I
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Forma della curva di saturazione
Espansione del vapore secco
Ciclo supercritico non richiesto
Temperatura e pressione moderate
Salto entalpico contenuto
Turbina grande e lenta Rigenerazione
Alta efficienza
Te
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ORC
Entropia
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ORC vs. tradizionali cicli a vapore II
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°C
OUTPUT POWER kW
Limite stabilità del fluido VAPORE
SMALL ORC ALTA
TEMPERATURA
MAINSTREAM ORC
LARGE ORC BASSA
TEMPERATURA
MIC
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TEMPERATURA TROPPO BASSA PO
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SSA
Troppi stadi Alti costi
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ORC vs. tradizionali cicli a vapore III
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Features
Alta efficienza della turbina (~ 85%)
Basso numero di stadi
Basso stress meccanico della turbina (bassa velocità periferica, temperatura moderata)
Assenza erosione pale (no liquido) e ridotta corrosione di scambiatori e piping
Piccolo salto entalpico + Elevata portata volumetrica
Bassi giri al minuto della turbina
Accoppiamento diretto al generatore elettrico (1500/1800/3000/3600 RPM)
Vantaggi operativi
Start-stop semplificato
Automatizzato, operatore non richiesto
Bassa rumorosità
Alta disponibilità
Buoni rendimenti a carico parziale
O&M minimi
Lunga vita
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2013: Più di 250
ORC Turboden
venduti nel
mondo.
200 in esercizio
Turboden, ORC da oltre 30 anni
6
‘60-’70: Prof. Mario Gaia
ricerca di base sugli ORC
al Politecnico di Milano
1976: Primo prototipo di
piccolo ORC per solare
termodinamico
’60-’70 1980 1980-1999 2000-2009 2009 2013…
1980: Mario Gaia fonda
Turboden per progettare
e costruire impianti ORC.
1980-1999: sviluppo ORC per fonti
rinnovabili (biomassa, geotermia,
solare termodinamico)
e per il recupero di calore
02-1998: Entra in servizio a Bière il
primo ORC a biomassa (300 kW)
per l’Esercito Svizzero
2000 – 2009: Oltre 150
ORC a biomassa installati
specialmente in Austria,
Germania e poi in Italia
Prime applicazioni di
recupero di calore e focus
su Nord America.
2009: 100° impianto Turboden
United Technologies (UTC)
acquisisce il 51% di Turboden.
Pratt & Whitney Power Systems
(PWPS) supporta Turboden nei
mercati extra europei.
2013: Mitsubishi Heavy
Industries (MHI) acquista
da UTC la partecipazione
Turboden. I soci italiani
continuano a gestire la
società.
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Storia e sviluppo degli ORC Turboden
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3 kW ORC alimentati da acqua calda da collettori piani (1980) fluido di lavoro: tetracloroetilene
Miniaturizzazione sperimentale di turbina radiale. Fluido di lavoro: perfluoro decaline
Impianto ORC solare da 40 kW a Perth, Australia, 1984, Fluido di lavoro: fluorocarbonio
ORC da 3 kW alimentato a legna, (1988) Fluido di lavoro: siloassano
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Storia e sviluppo degli ORC Turboden
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2 X 100 kW Geotermici KAPISYA – Zambia1988
1.3 MW Geotermici per Enel Castelnuovo V.C. 1992
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ORC Turboden oggi
Settore di applicazione Realizzazioni e taglie impianti ORC
Biomassa Legnosa 221 unità (300 kW ÷ 6.5 MW)
Cicli combinati 13 unità (500 kW ÷ 4.5 MW)
Recupero di calore da processi industriale 9 unità (700 kW ÷ 7 MW)
Termovalorizzatori 4 unità (500 kW ÷ 6 MW)
Geotermia 6 unità (1 MW ÷ 6 MW)
Totale Impianti ORC Turboden: 253 in 28 paesi (2013)
Totale potenza installata: 333 MW (2013)
Oil&Gas Player Russia
Oil&Gas Player
Canada
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Schema tipico di impianto cogenerativo (ORC con split) Impianti Turboden
• Unità CHP da 0,6 a 3 MWel
rendimento 19% per impianti
cogenerativi (60-80 °C in/out
acqua condensatore)
• Unità HRS da 1 a 10 MWel
rendimento 24+% per la sola
produzione di energia elettrica
(25-35 °C in/out acqua
condensatore)
Combustibile
• Biomassa legnosa: segatura,
cippato, corteccia, legno di scarto
• Altra biomassa: liquami essiccati,
potature, lolla di riso, vinacce,
scarti lavorazione legno, ecc.
• …
Utenze termiche
• Teleriscaldamento
• Essiccazione in segheria
• Essiccazione segatura per pellet
• Industria vinicola
• Produzione MDF/PB
• Refrigerazione e Trigenerazione
• Serre
• Piscine e impianti sportivi
Impianto ORC in un processo di cogenerazione da biomassa
Centrale CHP con ORC in provincia di Bolzano
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Cliente: West Fraser Mills Ltd
Sito 1: Chetwynd – BC, Canada - 2 x Unità ORC Turboden; avvio previsto I trimestre2014
Sito 2: Fraser Lake – BC, Canada - 2 x Unità ORC Turboden; avvio previsto II trimestre2014
Combustibile: scarti da segherie, cippato
ORC vettore termico: olio diatermico
Potenza ORC: 4 x 6.5 MWe
West Fraser Mills utilizzerà l’impianto cogenerativo alimentato dagli scarti della segheria per
fornire elettricità a BC Hydro secondo un contratto ventennale.
Esempio appicazione biomassa
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ORC Turboden per la geotermia
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Tipo impianto: prototipo geotermico con ciclo supercritico
Cliente: Enel Green Power
Luogo: Livorno, Italy
Avviato: Marzo 2012
Sorgente calda : acqua calda a 150°C
Condensazione : condensatore ‘dry & spray’
Potenza elettrica : 500 kWel
Fluido di lavoro: refrigerante (non infiammabile)
Tipo impianto: geotermia, 1° impianto EGS (Enhanced Geothermal System) in EU
Luogo : Soultz-sous-Forêts, Alsace, France
Avviato : II trim 2008
Sorgente calda : acqua calda a 180°C
Condensazione : aria
Potenza elettrica: 1.5 MW
Rendimento elettrico: 11.5%
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I progetti geotermici con ORC in Germania
Dürrnhaar
Cliente finale : Hochtief Energy Management GmbH
Sito: Dürrnhaar , Baviera, Germania
Avviato : Dicembre 2012
Scope of supply: fornitura EPC per ORC, Air Condenser e
BOP geotermico
Sorgente calda: fluido geotermico a 138°C
Condensazione : air condensers
Potenza elettrica : 5,6 MWel
Sauerlach
Cliente finale : SWM - StadtWerke München (municipalizzata di Monaco)
Sito: Sauerlach, Baviera, Germania
Avviato : Gennaio 2013
Scope of supply: fornitura per il completo ORC, incluso Air Condenser
Sorgente calda: fluido geotermico a 140°C Condensazione : air condensers
Potenza elettrica : 5+ MWel + 4 MWth a rete di teleriscaldamento
Kirchstockach
Cliente finale : Hochtief Energy Management GmbH
Sito: Kirchstockach Baviera, Germania
Avviato : Marzo2013
Scope of supply: fornitura EPC per ORC, Air Condenser e
BOP geotermico
Sorgente calda: fluido geotermico a 138°C
Condensazione : air condensers
Potenza elettrica : 5,6 MWel
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Recupero da turbine a gas
Turbina a Gas Solar CENTAUR Gas Compressor station in Canada
In marcia da novembre 2011
Potenza turbina a gas : 3,5 MWe
Gas Turbine efficiency: 28%
General Contractor: IST (Innovative Steam Technologies) Cliente finale: TransGas
POTENZA DEL SISTEMA ORC: ~ 1 MWe
Recupero da motori a combustione interna
Ricciarelli SPA, Pisticci Scalo (MT)
In marcia da II trimestre 2012
Fonte di calore: gas esausti da 3 motori Wartsila da 18 MWe alimentati a bioliquido
Incremento rendimento: + 7,4%
Fluido vettore: olio diatermico
POTENZA DEL SISTEMA ORC: 4 MWe
Esempi di applicazione – Cicli combinati
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ORC per recuperi termici da processo industriale
Valorizzazione
del calore residuale
da processo industriale
oggi disperso
in atmosfera
Generatore
ORC
processo,
utenze
termiche
civili e
industriali
scambiatore
recupero
calore
processo
industriale
calore
residuo gas, liquidi,
vapori
energia
elettrica
energia
termica
energia
termica
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H-REII (2010-2012)
Quantificare il potenziale di recupero calore
nelle industrie energivore italiane
Promuovere policy di efficienza energetica in
Italia (diffondere best practice)
H-REII DEMO (2012-2014)
Estendere il modello ad altri Paesi
dell’Unione Europea
Supportare la realizzazione di un recupero
ORC da acciaieria (forno ad arco elettrico)
Efficienze Energetica nell’Industria Europea: I progetti H-REII e H-REII DEMO
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Avvio: fine 2013
acciaio
forno arco
elettrico
(EAF)
scambiatore
recupero
calore
utenza termica
industriale Energia termica
~ 30 t/h di vapore
a
27 bar - 245°C
gas di
scarico
ORC
3 MWe
energia
elettrica
riduzione dei
consumi
33% 67%
Esempi di recupero calore - Acciaio 1
ESF - Riesa (Germania)
Tenova RE Energy GMBH
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Esempi di recupero calore - Acciaio 2
NatSteel Singapore
Recupero di calore dal forno di riscaldo laminatoio per billette
Sorgente: gas combusti da bruciatori LFO @ 400°C
Scambio diretto con fluido di lavoro
Potenza Elettrica netta ORC: ~ 0,7 MW
Cliente: NatSteel – Tata Group Avviato nel febbraio 2013
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Holcim Slovakia – Holcim Group (Slovacchia)
Messa in marcia prevista: III trimestre 2013
Capacità di produzione del clinker: ~ 3.600 ton/giorno
Fonte di calore: gas esausti a ~ 360°C (PRS) e ~ 310°C (CC)
Fluido vettore: olio diatermico
POTENZA DEL SISTEMA ORC: ~ 5 MWe
Slovakia
Holcim Romania – Holcim Group (Romania)
In marcia dal III trimestre 2012
Capacità di produzione del forno: ~ 4.000 ton/giorno
Fonte di calore: gas esausti a ~ 360°C (PRS) e ~ 250°C (CC)
Fluido vettore: olio diatermico per PRS e acqua pressurizzata per CC
POTENZA DEL SISTEMA ORC: ~ 4 MWe
Esempi di recupero calore - Cemento
CIMAR – ITALCEMENTI (Ait Baha, Marocco)
In marcia da ottobre 2010
Capacità di produzione del clinker: ~ 5.000 ton/giorno
Fonte di calore: gas esausti a ~ 330°C (PRS)
Fluido vettore: olio diatermico
Gas raffreddati fino a 220°C, calore residuo per il preriscaldo materie prime
POTENZA DEL SISTEMA ORC: ~ 2 MWe
In corso accoppiamento
con Solare Termodinamico
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Incentivi e barriere ai recuperi con ORC
Delibera AEEG EEN 9/11
28 Ottobre 2011
Utilizzo di calore di recupero per la generazione di
energia elettrica
TEE riconosciuti per 5 anni
Vita tecnica impianto: 20 anni
Coeff. Moltiplicativo tau: 3,36
Circa 60 €/MWh
Incentivi
I Titoli di Efficienza Energetica (Certificati Bianchi)
sono un buon incentivo per accelerare il ritorno
degli interventi di recupero di calore
Barriere
• Investimenti importanti
Ritorni lunghi per gli attori industriali
• Gli incentivi premiano risparmi ottenuti a
consuntivo, vantaggi modesti con basso
utilizzo impianti
• Risorse finanziarie (scarse agevolazioni e
assenza di fondi di garanzia dedicati)
• Cultura dell’efficienza energetica ancora
poco diffusa
Grazie per l’attenzione!
Alessandro Foresti
Riccardo Vescovo
Francesco Campana
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Factors involved:
• Thermodynamics
• Environment
• Safety
• Cost
Silicone based
• Biomass • Moderate & high temperature HR (e.g. gas turbine exhaust, process waste gas) • Concentrated solar power
Fluorinated
• Geothermal • Low temperature HR (e.g. engine jacket water, process hot water)
• Low/moderate temperature HR • Geothermal
Hydrocarbons
SOURCE TEMPERATURE
ORC Working Fluids - examples
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Turboden – facts & figures
(Last update: January 2013) 23
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ORC Turboden per la geotermia
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Tipo impianto: geotermia a bassa entalpia, collegato a rete di teleriscaldamento
Luogo: Marktgemeinde, Altheim, Austria
Avviato: Marzo 2001
Sorgente calda: acqua calda a 106°C
Condensazione: acqua fredda di fiume nelle vicinanze (10/18°C)
Potenza elettrica di Design: 1 MW (normalmente impiegato dal cliente a ~ 500 kW)
Tipo impianto: geotermia, 1° impianto EGS (Enhanced Geothermal System) in Europa
Luogo : Soultz-sous-Forêts, Alsace, France
Avviato : II trim 2008
Sorgente calda : acqua calda a 180°C
Condensazione : aria
Potenza elettrica: 1.5 MW
Rendimento elettrico: 11.5%
Tipo impianto: geotermia a bassa entalpia, collegato a rete di teleriscaldamento
Luogo: Simbach – Braunau, German-Austrian border
Avviato : III trim 2009
Sorgente calda : acqua calda a 80°C
Condensazione : aria/acqua
Potenza elettrica di Design: 200 kW
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Recupero da turbine a gas
Turbina a Gas Solar CENTAUR Gas Compressor station in Canada
In marcia da novembre 2011
Potenza turbina a gas : 3,5 MWe
Gas Turbine efficiency: 28%
General Contractor: IST (Innovative Steam Technologies) Cliente finale: TransGas
POTENZA DEL SISTEMA ORC: ~ 1 MWe
Recupero in vetreria
AGC (Cuneo, Italia)
In marcia da I trimestre 2012
Capacità di produzione del forno: ~ 600 ton/giorno
Fonte di calore: gas esausti a ~ 550°C
Gas raffreddati fino a ~ 390°C
POTENZA DEL SISTEMA ORC: ~ 1,3 MWe
Esempi di recupero calore – Cicli combinati
Recupero nella produzione di refrattari
RHI GROUP (Radenthein, Austria)
In marcia dal I trimestre 2009
Capacità di produzione dei refrattari: ~ 250 ton/giorno
Fonte di calore: gas esausti a ~ 500°C
Gas raffreddati fino a 150°C
POTENZA DEL SISTEMA ORC: ~ 1 MWe
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Advantages of Organic Fluid vs Steam
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• SHAPE OF SATURATION CURVE
Superheated expansion, no liquid drops
hit the blades
• FREE POSITIONING OF THE CYCLE WITH
RESPECT TO CRITICAL POINT OF FLUID
Good matching to heat source
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