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
