i sistemi orc turboden in applicazioni a biomassa ... per ati.pdforc turboden per la geotermia 24...
TRANSCRIPT
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
2
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
ORC vs. tradizionali cicli a vapore I
3
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
mp
era
tura
ORC
Entropia
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
ORC vs. tradizionali cicli a vapore II
4
0
100
200
300
400
10 100 1000 10000
Tem
pe
ratu
ra m
ed
ia d
ella
so
rge
nte
te
rmic
a
°C
OUTPUT POWER kW
Limite stabilità del fluido VAPORE
SMALL ORC ALTA
TEMPERATURA
MAINSTREAM ORC
LARGE ORC BASSA
TEMPERATURA
MIC
RO
CO
GEN
ERA
ZIO
NE
TEMPERATURA TROPPO BASSA PO
TEN
ZA T
RO
PP
O
BA
SSA
Troppi stadi Alti costi
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
ORC vs. tradizionali cicli a vapore III
5
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
6
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.
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
Storia e sviluppo degli ORC Turboden
7
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
Storia e sviluppo degli ORC Turboden
8
2 X 100 kW Geotermici KAPISYA – Zambia1988
1.3 MW Geotermici per Enel Castelnuovo V.C. 1992
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
9
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
10
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
11
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
ORC Turboden per la geotermia
12
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%
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
13
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
14
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
15
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
17
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
18
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
19
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
Turboden – facts & figures
(Last update: January 2013) 23
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
ORC Turboden per la geotermia
24
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
25
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
Copyrig
ht
©
– T
urb
oden S
.r.l. A
ll rig
hts
reserv
ed
Advantages of Organic Fluid vs Steam
26
• 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
T
S
T
Q
T
S
T
Q
T
S