PREMESSA

 

Per poter essere sostenibili a livello ambientale è fondamentale cercare di sfruttare al meglio le risorse energetiche a disposizione. Ciò implica utilizzare solamente l’energia strettamente necessaria per sopperire alle richieste, quando possibile installare sistemi che sfruttino energia rinnovabile e massimizzare l’efficienza dei processi realizzati.

Tecnologie per l’energia rinnovabile sono estremamente importanti per la sostenibilità ambientale, tuttavia sono spesso caratterizzati da un’efficienza ridotta. Si pensi al rendimento degli impianti fotovoltaici, stimabile intorno al 20%, o alle turbine eoliche che raggiungono un’efficienza reale pari al 50% circa. Per questo motivo è altrettanto importante, e spesso sottovalutata, la necessità di ottimizzare l’efficienza degli impianti già esistenti.

Uno dei metodi più efficaci per incrementare l’efficienza di un processo è quello di recuperare parte dell’energia che normalmente verrebbe dissipata. Questo tipo di logica è applicato nella cogenerazione o nei cicli combinati, dove l’energia termica normalmente dispersa viene invece o inviata ad un utenza o convogliata per essere parzialmente convertita in energia elettrica. Il limite tecnico di queste due tecnologie è la possibilità di recuperare solo calore a temperatura relativamente alta.

Per poter valorizzare anche flussi termici a bassa temperatura si possono sfruttare le turbine O.R.C. (Organic Rankine Cycle). Grazie a questa tecnologia è possibile incrementare l’efficienza di processi operativi che dissipano calore anche a temperature contenute.

 

DESCRIZIONE TECNOLOGIA

Il ciclo Rankine è ideale per sfruttare un ampio range di fonti termiche, tuttavia ciò che consente alle turbine ORC di valorizzare temperature ridotte è il fluido di lavoro. All’interno di questi macchinari circola un fluido organico, che ha elevati peso molecolare e complessità. I fluidi organici dei sistemi ORC permettono di recuperare calore anche in applicazioni dove un normale ciclo Rankine non potrebbe funzionare.

Un ciclo Rankine Organico opera secondo questo schema:

• La fonte termica scambia calore con il fluido organico, ad alta pressione, riscaldandolo e facendolo evaporare (3-4), questa è la fase in cui il calore di scarto viene valorizzato e recuperato;
• Il fluido organico in forma di vapore viene convogliato in una turbina dove avviene la conversione in energia meccanica, mediante l’espansione del fluido (4-5). Questa trasformazione genera il lavoro utile che può essere ulteriormente convertito in energia elettrica.
• Molti sistemi ORC sono dotati di un rigeneratore, che preriscalda il fluido organico in ingresso all’evaporatore (2-3), scambiando calore con il vapore uscente dalla turbina (5-6). Questo accorgimento incrementa il rendimento del ciclo.
• Il vapore a bassa pressione viene fatto condensare e riportato in forma liquida (6-1) per poter essere nuovamente pompato (1-2) e ripetere il ciclo.

La turbina ORC recupera energia termica da una fonte energetica e la trasforma in energia elettrica pronta per l’utilizzo. L’utilità principale è la generazione elettrica, tuttavia, se opportunamente configurati, possono essere impiegati per generare anche energia termica. In questo caso la turbina ORC è a tutti gli effetti un cogeneratore.

Per poter funzionare, il condensatore ha bisogno di smaltire l’energia contenuta nel vapore a bassa pressione. Si potrebbe dissipare quell’energia direttamente in atmosfera andando a perderla completamente, oppure si potrebbe usare l’energia termica da smaltire per altri impieghi a bassa temperatura: riscaldare gli ambienti nella stagione invernale, preriscaldare fluidi utilizzati in altri processi operativi, essiccare della biomassa per aumentarne il valore energetico.

La possibilità di funzionare a temperature ridotte limita notevolmente il rendimento globale, l’efficienza delle turbine ORC è di circa 10% per taglie che vanno dai 10 kW ai 200 kW di potenza elettrica erogata. Per potenze superiori (fino a 2 MW elettrici) il rendimento cresce fino ad un valore di circa 20%.

AMBITI DI APPLICAZIONE

Questa tecnologia può essere abbinata a qualunque processo operativo che abbia disponibile una fonte termica a temperatura superiore a 100-120 °C. Generalmente questi processi possono essere:

• Impianti a Fonte Geotermica;
• Impianti di Cogenerazione a Biomassa;
• Impianti accoppiati a Pannelli Solari;
• Recupero di Calore da Processi Industriali

Per applicazioni cogenerative, la temperatura disponibile dallo smaltimento in fase di condensazione è di circa 60 °C, per cui l’utenza a cui viene ceduta l’energia termica in eccesso deve essere a temperatura inferiore a questa soglia.

I produttori di turbine ORC stanno sviluppando la tecnologia per applicazioni di piccola taglia (inferiori a 50 kW elettrici), per incrementare le opportunità di recupero termico nel settore industriale, che in Italia è caratterizzato soprattutto da PMI.

CASE HISTORY

Si riporta di seguito un caso concreto di installazione di un ciclo O.R.C. ai fini del recupero termico da un processo industriale, il quale prevede la dispersione in atmosfera di fumi di combustione a circa 180°C da tre camini.

Si assumano le seguenti ipotesi iniziali:

• Prezzo dell’energia elettrica: 0,14 €/kWh
• Prezzo del Gas Naturale: 0,279 €/Smc
• Potenza Termica Disponibile: 159,5 kWth (mediante raffreddamento dei fumi di 50 °C)
• Temperatura Sorgente: 180°C
• Ore di funzionamento Annue: 5760 h

Si è valutata l’installazione di un sistema O.R.C. di taglia 15 kWe in assetto cogenerativo. Considerata la potenza della sorgente termica e l’efficienza dell’impianto, la taglia è lievemente sottodimensionata al fine di garantire un funzionamento a carico nominale. L’energia elettrica erogata è interamente auto-consumata in sede, l’energia termica recuperata dalla fase di condensazione è in parte utilizzata per pre-riscaldare l’acqua in ingresso alle utenze produttive aziendali, alimentate a gas naturale.

Il bilancio economico finale porta ai seguenti risultati:

• • Energia Elettrica Prodotta: 86.400 kWh/anno
  • Energia Termica Cogenerata: 103.680 kWh/anno circa
  • Risparmio Energia Elettrica: 12.096 €/anno
  • Risparmio Gas Naturale: 3.016 €/anno
  • RISPARMIO TOTALE: 15.112€/anno
  • COSTO DI INVESTIMENTO: 65.000 € circa
  • TEMPO DI RITORNO INVESTIMENTO: 4,5 anni circa

Si riportano i dati economici risultanti senza disporre l’impianto in assetto cogenerativo. Secondo questa configurazione non si avrebbe generazione termica, tuttavia si potrebbe accedere ai Certificati Bianchi.

Il bilancio economico finale porta ai seguenti risultati:

• • Energia Elettrica Prodotta: 86.400 kWh/anno
  • Energia Termica Cogenerata: 103.680 kWh/anno circa
  • Risparmio Energia Elettrica: 12.096 €/anno
  • Risparmio Gas Naturale: 3.016 €/anno
  • RISPARMIO TOTALE: 15.112€/anno
  • COSTO DI INVESTIMENTO: 65.000 € circa
  • TEMPO DI RITORNO INVESTIMENTO: 4,5 anni circa

VANTAGGI

Un sistema di recupero termico tramite ciclo O.R.C. garantisce i seguenti vantaggi:

• Valorizza flussi termici a bassa temperatura che altrimenti verrebbero dissipati;
• È applicabile a diverse tipologie di fonti termiche (aria calda, acqua surriscaldata, fumi, vapore, etc.);
• È adatto a funzionare in assetto cogenerativo, fornendo anche energia termica a bassa temperatura;
• Consente una rapida fase di accensione e di spegnimento, garantendo un’ottima regolazione;
• Presenta dimensioni contenute, in particolare per taglie al di sotto dei 100 kWe;
• La sua vita utile si attesta intorno ai 20 anni;
• Prevede sistemi di monitoraggio interni, gestibili attraverso software on-line;
• Rientra nell’elenco di interventi incentivabili mediante il meccanismo dei certificati bianchi, figura infatti tra gli interventi a consuntivo, incentivato per un periodo di 10 anni. Si precisa che l’ottenimento dei certificati bianchi è precluso alle applicazioni che prevedono il funzionamento in assetto cogenerativo.