I  cicli produttivi di molti settori energivori sono intrinsecamente caratterizzati da notevoli quantità di energia termica di scarto contenuta nei fumi di processo.  I Cicli Rankine a fluido Organico (ORC) ben si prestano al recupero di energia che altrimenti verrebbe dissipata in ambiente, grazie a prestazioni superiori  rispetto ai tradizionali cicli a vapore in presenza di sorgenti termiche a bassa temperatura e/o di bassa  entità, oltre alla capacità di operare con input termici altamente variabili e  alla bassa difficoltà di  gestione ( si tratta infatti di sistemi completamente automatizzati).

Adottando un sistema ORC è possibile recuperare energia da sorgenti termiche sia ad alta che a media o bassa temperatura attraverso opportune scelte del fluido e dei componenti d’impianto. Oltre al grande obiettivo dell’efficienza, l’uso di questi sistemi per WHR (Waste Heat Recovery) introduce altri vantaggi, anche rispetto ad alcune principali fonti rinnovabili: la generazione di potenza è distribuita, dunque con ridotte perdite di trasmissione o distribuzione, e spesso può essere totalmente auto-consumata limitando lo sbilanciamento del sistema elettrico, a cui è sempre più richiesta flessibilità a causa della maggior quota coperta da fonti aleatorie come eolico e solare.

Come funziona il processo di recupero?

La  disponibilità di calore sfruttabile nei  recuperi termici consiste tipicamente in un flusso di gas caldi,  meno frequentemente sotto forma di liquidi. Lo scambio di calore può avvenire direttamente tra la fonte termica e il fluido di lavoro, o indirettamente.  Nel caso di recupero di calore da effluenti  gassosi, la fonte termica  primaria non è in genere direttamente  accoppiata con il fluido di  lavoro: il calore recuperato viene infatti solitamente trasferito al ciclo per mezzo di un vettore termico (quali olio  diatermico, acqua pressurizzata o vapore).  Nel caso di recupero di calore  da effluenti  liquidi, similmente alle applicazioni geotermiche, si ha lo scambio diretto fra la sorgente di calore primaria ed il fluido di lavoro del ciclo ORC. 

Considerata la primaria  importanza  dei  processi  produttivi ai  quali  viene  applicato il recupero termico, lo schema d’impianto prevede in genere l’inserimento del recuperatore in  ‘bypass’.  Qualora ci fossero dei guasti che rendessero indisponibile il sistema di recupero, con questo schema è possibile by-passare il recuperatore ed il modulo ORC utilizzando la linea fumi originale per l’evacuazione dei gas caldi al camino.  Il ciclo ORC ed il recuperatore sono progettati per rispondere in automatico ad ogni variazione di portata e temperatura della fonte termica e,  se necessario, operare lo scollegamento dalla rete elettrica e lo spegnimento in completa sicurezza dell’intero sistema.

Le potenziali applicazioni

Il  recupero termico per la produzione di energia elettrica può avere un impatto importante in molti settori energivori, contribuendo in modo significativo alla riduzione dei consumi ed all’aumento di efficienza dell’intero processo produttivo.

Le applicazioni più significative sono quelle industriali, in particolare cementifici, complessi siderurgici e in generale i processi energivori, dove sono tipicamente resi disponibili fumi a temperature comprese tra i 200 e i 600°C. Sono anche possibili recuperi termici da stazioni di ricompressione del gas naturale, turbine a gas di media e piccola taglia o motori a combustione interna per la produzione di potenza elettrica.

Vediamo alcuni esempi:

Cemento

Il  processo  di  produzione  del  cemento  è  caratterizzato  da una  notevole disponibilità di calore  di scarto a  medio/bassa temperatura  che,  malgrado  tutte  le  soluzioni  impiantistiche utilizzate, non può essere completamente utilizzato.  Le fonti di calore disponibili sono generalmente due: 

Gas di combustione del  forno (a valle del preriscaldamento delle  materie  prime),  con temperature nell’ordine dei 250-400 °C

Aria di raffreddamento del clinker, a temperature più basse (< 300 °C).

La produzione di cemento richiede un enorme quantitativo di energia, basti pensare che il forno di cottura del clinker raggiunge temperature di 1.500°C. Nonostante un moderno impianto riutilizzi la maggior parte del calore esausto del processo per l’essiccatura del materiale, una notevole quantità di gas a bassa temperatura viene comunque dispersa in atmosfera . Aria o gas di scarico a temperature che partono da soli 150° C possono economicamente essere usati per generare potenze da 500 kW fino a qualche megawatt.

Le potenziali difficoltà tecniche legate alla polverosità dei gas sono state risolte da anni: si consideri come il recupero di calore dal processo di produzione del cemento sia una applicazione diffusissima, sin dagli anni  ’80,  in tutto il far east  (in  Giappone, Cina,  Indo-Cina e India ci sono oltre 1.000  MWe  installati).  I processi produttivi di tali paesi sono però caratterizzati,  rispetto al caso italiano,  da basse efficienze  del  processo  produttivo ossia da una  maggiore disponibilità  di calore recuperabile e  quindi da taglie di impianto maggiori: quindi, oltre ad essere una soluzione più conveniente dal punto di vista economico, la tecnologia più diffusa è quella tradizionale dei cicli a vapore. In  Italia  si  stima  che  la  produzione  di  clinker  richieda  in media  circa  1,15  MWht  di  energia  termica  e  circa  0,15 MWh di energia elettrica per tonnellata di clinker prodotto. L’adozione  di  impianti  a  recupero basati su ORC consentirebbe di utilizzare la quota di calore scaricata a bassa temperatura (200-300 °C).

Siderurgia

La produzione di materiali ferrosi presenta buone possibilità di intervento in termini di recupero termico.  Energia termica può essere ottenuta da:

Fumi di  processo ‘puliti’:  frutto della combustione di gas naturale in forni o trattamenti termici, disponibili a medio/bassa temperatura

Fumi di acciaieria/fonderia  ‘sporchi’: originati dalla fusione del metallo,     disponibili a medio/alta temperatura.

I processi produttivi sono meno standardizzati rispetto all’industria del  cemento; soluzioni affidabili di recupero (realizzate ‘ad hoc’) sono utilizzate nei più svariati processi (laminatoi, trattamenti termici etc). Ciò avviene generalmente per fumi puliti, a media temperatura (> 400 °C) e quando non in conflitto con altri potenziali interventi per l’aumento di efficienza del processo (p. es. pre-riscaldo aria comburente).  Più difficile può essere   operare su fumi sporchi, da acciaieria o fonderia, dove ad una maggiore  potenzialità (ma anche complessità tecnologica richiesta) dovuta all’alta temperatura, si contrappongono problemi legati al contenuto di  polveri,  alle notevoli variazioni di temperatura e portata dei fumi, ai vincoli ambientali sulle emissioni.

La  stima dei consumi di energia per singola tonnellata di materiali ferrosi prodotta o lavorata è di 1,25  MWht di energia termica e di 0,25  MWh di energia elettrica. La produzione nazionale di materiali ferrosi è stimabile in 36 Mt/anno per quanto riguarda la siderurgia primaria alle quali vanno aggiunte 25 Mt/anno laminate a caldo e 8 Mt/anno laminate a freddo.  L’energia recuperabile è quantificata dagli autori nell’ordine dei 30-50 kWh per tonnellata di materiale prodotta/lavorata. Con una potenzialità di 3 TWh/anno di produzione di energia elettrica, anche ipotizzando un tasso di penetrazione dei  recuperi  termici molto conservativa, l’impatto a livello nazionale sarebbe paragonabile (se non superiore) a quello nel settore cementiero. 

Vetro

La produzione di vetro è sicuramente un’altra potenziale candidata  all’applicazione dei sistemi a recupero termico. Dal punto di vista tecnico, la disponibilità di gas provenienti dalla fusione del vetro ad alte temperature (400-600 °C) può garantire alte efficienze elettriche, nell’ordine del 25%.  Si  stima  che  l’energia  (termica  ed  elettrica)  mediamente richiesta  per  la  produzione  di  una  tonnellata  di  vetro  (per impianti industriali)  sia  intorno a 1-1,5 MWh/t. Della totale energia fornita, mediamente circa il 20 % è la frazione che viene persa nei gas di scarico.  Da qui si stima che l’energia elettrica recuperabile sia nell’ordine dei 30- 45 kWh per tonnellata di vetro prodotto. La produzione nazionale di vetro è stimabile in 1 Mt/anno  di vetro piano, 3.8  Mt/anno di vetro cavo e circa 0,5 Mt/anno di  altri prodotti (filati, cristalli, tubi, etc.).  Con una potenzialità di 200 GWh/anno di produzione di energia elettrica, anche il recupero energetico da questo settore industriale potrebbe portare a risultati non trascurabili in ambito nazionale.

Altri settori industriali

In aggiunta è possibile citare altri settori industriali nei quali il recupero di calore può risultare interessante: petrol-chimici,  produzione di materiali non-ferrosi, ceramiche, incenerimento.  In generale, la tecnologia ORC consente il recupero di calore da qualunque processo industriale dove la potenza termica di scarto disponibile sia superiore ai 3 / 5 MWt, traducibile  in un consumo annuo nell’ordine di 20 MSm3 di gas naturale (o in alternativa 15 Mt di carbone).

Fonte: Applicazione di Cicli ORC a Recuperi Termici da Processi Industriali Nicola Palestra, Riccardo Vescovo

Il principio di funzionamento dei turbogeneratori ORC
( Organic Rankine Cycle ) è simile a quello delle turbine a vapore, in cui appunto il vapore generato da una caldaia che scalda acqua, si espande all’ interno di condotti opportunamente sagomati, acquista energia cinetica e spinge le palette di una girante.

A differenza di una turbina a vapore, però, per far muovere la girante, i turbogeneratori utilizzano un fluido organico a ciclo chiuso.

Il fluido organico viene fatto evaporare utilizzando il calore proveniente da una caldaia, mediante uno scambiatore ad olio diatermico; il fluido organico vaporizzato alimenta quindi la turbina che produce energia elettrica.

Dopo essere transitato per la turbina, il fluido vaporizzato viene fatto raffreddare e condensare, cedendo così calore alla rete di teleriscaldamento (o agli altri utilizzi del calore), per poi essere di nuovo inviato all’evaporatore. In questo modo si chiude il ciclo termodinamico.

Ma come generare il calore necessario a vaporizzare il fluido di lavoro?

La tecnologia ORC permette di produrre energia elettrica da cascami termici di scarto in maniera economicamente conveniente e sostenibile per l’ambiente, contribuendo all’approvvigionamento energetico senza incrementare le emissioni di CO2. Grazie allo sfruttamento di calore di scarto di processi industriali oppure alla combustione di biomasse altrimenti difficilmente (ed onerosamente) smaltibili, si riesce ad ottenere un guadagno extra dall’energia elettrica prodotta e venduta in rete.

Come prodotti di processo abbiamo, oltre all’energia elettrica, anche calore (dal condensatore) che può essere riutilizzato, ad esempio, per alimentazione di piccole utenze.

Come funziona l’impianto?

Circuito ‘’lato caldo’’

È costituito da un sistema di tubazioni a circuito chiuso contenenti un liquido che permette di estrarre il calore attraverso un apposito scambiatore installato sulla fonte di energia termica (es. camino caldaia o scarico motore). Il calore viene portato attraverso una pompa all’evaporatore che trasmetterà l’energia al fluido di lavoro.

Circuito ORC

Si tratta del circuito chiuso contenente il fluido di lavoro. Questo particolare fluido, mediante ciclo Rankine, viene fatto evaporare, passare attraverso il turbogeneratore ed in fine condensare per poi iniziare il ciclo da capo.

Circuito ‘’lato freddo’’

E’ un sistema di tubazioni a circuito aperto (torre di raffreddamento) oppure a circuito chiuso (dry cooler) che permette, attraverso un apposito scambiatore, di estrarre calore dal fluido di lavoro facendolo condensare. In molti casi è possibile anche dimensionare un impianto a condensa diretta, che non necessita quindi di un circuito a parte per l’estrazione del calore.

Circuito elettrico

Il generatore, messo in moto grazie all’azione del fluido sulla girante della turbina, produce energia elettrica che viene poi regolata da un inverter ed immessa in rete.

Alcuni vantaggi del Ciclo Rankine Organico

Gli impianti a Ciclo Rankine Organico (ORC), presentano i seguenti vantaggi rispetto agli impianti a vapore:

Elevata efficienza termodinamica del Ciclo Rankine Organico (ORC);

Ridotta usura del rotore;

Eliminazione dell’erosione delle pale della turbina, grazie al fluido di lavoro secco;

Efficienza elevata degli impianti a Ciclo Rankine Organico (ORC) anche sotto carico parziale;

Per l’esercizio degli impianti a Ciclo Rankine Organico (ORC) non è richiesto personale specializzato o autorizzazioni/certificazioni;

Gli impianti a Ciclo Rankine Organico (ORC) non inquinano (non vi sono emissioni di alcun tipo).

Nextec srls progetta e gestisce impianti ORC sul territorio nazionale italiano. Creiamo soluzioni tecnologiche innovative nel campo del recupero termico e delle energie rinnovabili.