intervento al klimaenergy2011 - prof. marco marengo
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Valorizzazione del calore di scarto mediante ciclo ORC di piccola taglia.TRANSCRIPT
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