13 Dicembre 2011
Workshop: “Biomasse, tra valorizzazione della risorsa,
innovazione tecnologica e tutela ambientale”
Cogenerazione da biomassa agroforestale
mediante sistemi ORC: studio di
un’applicazione in un comune dell'alta
Valtellina
F.Armanasco, A. Rossetti – RSE
Indice
•
La biomassa agro-forestale
•
Le tecnologie per la produzione di elettricità e calore da
biomassa legnosa
•
I generatori ORC
•
L’impianto di teleriscaldamento di Sondalo
•
Ottimizzazione e repowering dell’impianto
•
Pianificazione dell’attività
•
Attività in corso e risultati preliminari
•
Conclusioni
2
La biomassa agro-forestale
La FILIERA AGRO-FORESTALE è tra le filiere
agro-energetiche quella che prevede l’utilizzo della
BIOMASSA SOLIDA A BASE LEGNOSA di
derivazione AGRICOLA E FORESTALE:
Biomassa di derivazione
agricola
Biomassa di derivazione
forestale
• Biomassa dedicata da colture energetiche
erbacee ed arboree
• Biomassa residuale da colture erbacee (paglie
e stocchi) ed arboree (potature di frutteti)
• Utilizzazioni forestali e manutenzioni
boschive
• Residui derivanti dalle utilizzazioni
forestali (ramaglie, cimali)
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Cogenerazione e biomassa
Impianti di cogenerazione alimentati a biomassa solida di origine
agro-forestale
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Produzione di elettricità e calore da biomassa
Nell’ambito degli impianti di piccola taglia (<1MWel) sono possibili
due alternative per lo sfruttamento della biomassa solida:
Combustione
Recupero termico dai fumi di
combustione:
• Cicli Rankine a fluido
organico (ORC)
• Motori Stirling
• Microturbine a gas con
combustore esterno (EFGT)
Gassificazione
Gassificazione della biomassa
(letto fisso/fluidi) e impiego
diretto del syngas:
• Motori a combustione
interna
• Turbine a gas in
cocombustione
• Microturbine a gas
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Produzione di elettricità e calore da biomassa
Solamente ORC, MCI e MTG hanno raggiunto una certa maturità commerciale:
Cicli Rankine a fluido
organico
• Scarso rendimento elettrico (1720%)
• Bassa manutenzione
Motori a combustione interna
• Ottimi rendimenti (30-40%)
• Elevata rumorosità ed
emissioni
• Elevati costi di manutenzione
• Elevata affidabilità
• Disponibili a partire da 100 kWel
• Ampio range di potenze
disponibili (10 kWel – 1 MWel)
Microturbine a gas
• Buoni rendimenti (30%)
• Taglia massima 200 kWel
• Bassa rumorosità ed
emissioni
• Elevata affidabilità
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I generatori ORC
• L’installazione tipica di un generatore ORC prevede l’impiego di un
circuito ad olio diatermico per il trasferimento del calore
• Unità ORC disponibili su skid comprensivi di evaporatore e
condensatore
• Produzione di acqua calda (60-80°C) grazie al calore di recupero dal
condensatore e da eventuale integrazione da circuito ad olio
diatermico
evaporatore
turbina
gas di scarico
rigeneratore
circuito olio diatermico
condensatore
Fluido organico
biomassa
U.T.
Utenza termica
Caldaia
Gruppo ORC
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I generatori ORC
• L’impiego di fluidi organici permette una riduzione dei costi dei
componenti e la semplificazione del layout dell’impianto
• I fluidi di lavoro più impiegati sono i silossani (MDM) e i refrigeranti
(R245fa)
• Il rendimento del ciclo è limitato dalla massima temperatura del ciclo
(TMAX) raggiunbile (~310 °C)
• L’impiego di fluidi più performanti, che garantiscono TMAX superiori,
è limitato da problemi di sicurezza (infiammabilità e tossicità)
Incremento dell’efficienza
Fluidi di lavoro
innovativi
Scambio diretto
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Impianto di teleriscaldamento di Sondalo
Repowering di centrale, installazione di un’unità
cogenerativa innovativa, ottimizzazione tecnico-economica
• 2 Caldaie da 5 MWth
alimentate a biomassa
agroforestale (cippato)
• Utilizzo diretto del
cippato senza processi di
essicazione
• Deposito a cielo aperto e
sotto tettoia
• Utenze termiche
prettamente residenziali
(23 MWth)
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Repowering dell’impianto di Sondalo
Evaporatore
ORC
Ritorno
acqua
Mandata
acqua
Scambiatore
di sicurezza
Ciclo ORC
biomassa
Condensatore ORC
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Sorgente termica disponibile
Temperatura dei fumi al punto di prelievo (°C)
350
300
250
200
Reale possibilità d’impiego
di ORC a scambio diretto
senza l’impiego di fluidi
termovettori intermedi
150
100
50
0
0
500
1000
1500
2000
Potenza termica rete (kW)
11
2500
3000
3500
Profilo annuale di funzionamento dell’impianto
10000
9000
Potenza termica (kW)
8000
Basso carico
termico durante il
periodo estivo
Rete
Caldaia 2
Caldaia 1
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
15/06/2009 04/08/2009 23/09/2009 12/11/2009 01/01/2010 20/02/2010 11/04/2010 31/05/2010
Tempo (gg/mm/aaaa)
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Profilo tipico di funzionamento invernale
Rete
Caldaia 2
Caldaia 1
Temperatura ambiente
9000
Potenza termica (kW)
8000
10
8
6
7000
4
6000
2
5000
0
4000
-2
3000
-4
2000
-6
1000
-8
0
01/01/2010
02/01/2010
03/01/2010
04/01/2010
05/01/2010
Tempo (gg/mm/aaaa)
13
06/01/2010
-10
07/01/2010
Temperatura (°C)
10000
Profilo tipico di funzionamento estivo
2500
30
2000
25
1500
20
1000
15
500
10
0
01/08/2010
02/08/2010
03/08/2010
04/08/2010
05/08/2010
Tempo (gg/mm/aaaa)
14
06/08/2010
Temperatura (°C)
Potenza termica (kW)
Rete
Caldaia 2
Temperatura ambiente
5
07/08/2010
Collaborazione con T.C.V.V.V.
Pianificazione dell’attività e stato di avanzamento:
• Analisi dei dati storici di funzionamento
• Analisi fumi per la verifica del contenuto di polveri e per la stima delle proprietà
termofisiche dei gas combusti in diverse condizioni di esercizio
• Indagine di mercato per l’individuazione di generatori ORC più idonei
• Sviluppo di un modello matematico per il dimensionamento e la simulazione del
funzionamento dello scambiatore di calore fumi/fluido ORC
• Simulazione di differenti scenari di esercizio ed analisi tecnico economica
• Realizzazione ed attività sperimentali in campo
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Analisi fumi a monte dei dispositivi di filtraggio
350
Potenza teleriscaldamento
Particolato
Temperatura fumi
3000
300
2500
250
2000
200
1500
150
1000
100
500
50
0
0.00.00
4.48.00
9.36.00 14.24.00 19.12.00 0.00.00
Tempo (hh.mm.ss)
16
4.48.00
0
9.36.00 14.24.00 19.12.00
Temperatura dei fumi al punto di prelievo (°C)
Potenza teleriscaldamento (kW), Particolato
(mg/Nm3)
3500
Indagine di mercato: ORC a recupero
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Turboden CHP 2
OUTPUT ELETTRICO:
INPUT TERMICO:
Lorda: 216 kW
Tensione: 380÷480 Vac
Frequenza: 50÷60 Hz
Input 1480 kW @ 310 °C
Return temperature 250 °C
Rendimento Elettrico: 16%
GRUPPO TURBINA-GENERATORE:
FLUIDO MOTORE:
Turbina assiale – generatore asincrono trif.
Ottametiltrisilossano
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Freepower FP120
OUTPUT ELETTRICO:
INPUT TERMICO:
Lorda: 130 kW
Tensione: 380÷480 Vac
Frequenza: 50÷60 Hz
Input 740 kW @ 280 °C
Return temperature 135 °C
Rendimento Elettrico: 17%
GRUPPO TURBINA-GENERATORE:
FLUIDO MOTORE:
Turbina a flusso radiale da 30.000 rpm
Hydrocarbon
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Ingeco WHG125
OUTPUT ELETTRICO:
INPUT TERMICO:
Lorda: 125 kW
Tensione: 380÷480 Vac
Frequenza: 50÷60 Hz
Input 835 kW @ 121 °C
Return temperature 35 °C
Rendimento Elettrico: 15%
GRUPPO TURBINA-GENERATORE:
FLUIDO MOTORE:
Turbina a flusso radiale da 30.000 rpm
Pentafluoropropano tipo HFC-245fa
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Modello matematico
Grazie ad un opportuno modello matematico
verranno simulate differenti condizioni operative
d’impianto che permetteranno un’attenta valutazione
dei principali indici prestazionali per ciascuna
macchina considerata
Il software sarà in grado di fornire gli strumenti necessari per un
dimensionamento ad hoc di un evaporatore innovativo a scambio diretto di
tipo “Shell & Tube”
Lo scambiatore innovativo permetterà l’evaporazione
del fluido organico che alimenta il ciclo ORC
mediante il raffreddamento dei fumi di centrale
permettendo così il raggiungimento di un ulteriore
risparmio energetico
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Conclusioni
Il carattere discontinuo del carico termico ha fornito i presupposti per un intervento di
ottimizzazione e repowering della centrale di teleriscaldamento di Sondalo
La collaborazione con T.C.V.V.V. ha permesso un’analisi degli storici d’impianto e
delle potenze effettivamente disponibili
Un’accurata indagine di mercato ha reso possibile l’individuazione delle macchine
idonee all’impiego previsto
Un opportuno modello matematico e le analisi condotte permetteranno di fornire gli
strumenti necessari per un dimensionamento ad hoc di un evaporatore innovativo a
scambio diretto
Lo scambiatore innovativo permetterà l’evaporazione del fluido organico che alimenta
il ciclo ORC mediante il raffreddamento dei fumi di centrale
Sono attualmente in corso valutazioni in merito alla definizione del layout, agevolando
un intervento che tenda il più possibile a preservare l’attuale configurazione di centrale
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[email protected]
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