Organic Rankine Cycle

“i sistemi ORC rappresentano la soluzione tecnica in assoluto più vantaggiosa per la generazione elettrica da fonti termiche a bassa e media temperatura di limitata capacità”
cit. Organic Rankine Cycle(ORC) Power Systems – E.Macchi, M.Astolfi

Tradizionalmente, nella generazione di energia su larga scala, i cicli a vapore sono la soluzione preferita per il recupero del calore e la combustione esterna di combustibili solidi e pesanti, mentre i motori a combustione interna sono la scelta più comune per i normali combustibili puliti, liquidi o gassosi. 

 

 

Tuttavia esiste una varietà di fonti energetiche con temperature e/o energia termica limitata per le quali i cicli a vapore e a gas non rappresentano una scelta conveniente. I cicli Rankine a fluido organico si dimostrano la soluzione tecnicamente ed economicamente più vantaggiosa in questi casi poichè offrono prestazioni e flessibilità  superiori a fronte di capitale di investimento più basso

 

I sistemi a ciclo Rankine a fluido organico (ORC) sono utilizzati per la produzione di energia da fonti di calore da bassa a media temperatura, nel range tra 80 e 350 °C e per applicazioni di taglia piccola o media in qualsiasi intervallo di temperatura. Questa tecnologia permette di utilizzare fonti di calore a bassa temperatura che altrimenti resterebbero inutilizzate. Il principio di funzionamento di un ciclo Rankine a fluido organico è simile al processo comunemente utilizzato per la produzione di energia elettrica, il ciclo Clausius-Rankine tradizionale. 

 

La differenza principale risiede nell'utilizzo di sostanze organiche in sostituzione dell'acqua (vapore) come fluido di lavoro. Il fluido organico ha un punto di ebollizione più basso e una pressione di vapore più alta rispetto all'acqua ed è per questo più adatto per produrre elettricità da fonti termiche a bassa temperatura. La scelta del fluido organico è fatta secondo le proprietà termodinamiche caratteristiche di ciascuno che meglio si adattano alla fonte termica disponibile. In questo modo si ottengono efficienze di ciclo e di turbina più elevate

 

I principali componenti di un ciclo Rankine a fluido organico sono: 

 

  • 1. La turbina


    E' la componente chiave di tutto l'impianto ORC, che determina le prestazioni di tutto il sistema. Espande il fluido organico producendo energia meccanica che a sua volta è convertita in energia elettrica dal generatore accoppiato all'albero della turbina.
  • 2. Gli scambiatori di calore 


    Il fluido di lavoro passa negli scambiatori di calore ed estrae il calore dalla fonte primaria. Gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono la tipologia solitamente impiegata ma possono variare in geometria e configurazione a seconda della fonte di calore e della potenza termica totale.
  • 3. Il condensatore


    Nel condensatore, preferibilmente ad aria, il fluido organico viene raffreddato e portato allo stato liquido prima di entrare nella pompa. L'uso dell'aria in sostituzione all'acqua elimina la necessità di consumo di acqua e del suo trattamento. E' comunque possibile utilizzare un condensatore ad acqua quando richiesto.
  • 4. Pompa di alimentazione


    La pompa porta il fluido organico dalla pressione di condensazione alla presssione massima del ciclo ORC. La pompa è solitamente azionata da un motore elettrico a velocità di rotazione variabile. 
Exergy ORC 3D

Convertendo energia termica a bassa temperatura in elettricità gli ORC sono utilizzabili per una vasta tipologia di applicazioni con impianti di taglia tra i 10 kW e i 50 MWe incluso: 

Sfruttamento di risorse geotermiche a bassa-media entalpia (90 – 260 °C)
Sfruttamento di risorse geotermiche a bassa-media entalpia (90 – 260 °C)
Biomasse
Biomasse
SOLARE TERMODINAMICO
SOLARE TERMODINAMICO
Generazione elettrica dal recupero di calore nell'industria
Generazione elettrica dal recupero di calore nell'industria
Generazione elettrica per aumentare l'efficienza di sistemi basati su turbine e motori diesel o a gas
Generazione elettrica per aumentare l'efficienza di sistemi basati su turbine e motori diesel o a gas

Le turbine più usate per i cicli ORC in tutto il mondo per molti anni sono state quelle assiali e radiali a flusso centripeto. EXERGY ha introdotto l'innovativa turbina radiale centrifuga (Radial Outflow Turbine o ROT) ed è l'unica ad utilizzare questa tecnologia estremamente efficiente sui suoi impianti ORC.

 

CICLI ORC:
ADATTI PER APPLICAZIONI A TEMPERATURE PIU' BASSE
ADATTI PER APPLICAZIONI A TEMPERATURE PIU' BASSE
  • Maggiori possibilità di applicazione in tutto il mondo
ASSENZA FASE LIQUIDA DURANTE L'ESPANSIONE
ASSENZA FASE LIQUIDA DURANTE L'ESPANSIONE
  • Turbina più affidabile e durevole
  • Costi di manutenzione inferiori
COMPATTO E AUTOMATIZZATO
COMPATTO E AUTOMATIZZATO
  • Nessuna necessità di operatori per il funzionamento
CONFIGURAZIONE MODULARE
CONFIGURAZIONE MODULARE
  • Facilità di trasporto ed installazione
  • Ridotta impronta ambientale
  • RIdotta occupazione di suolo
  • Minori costi per fondazioni e assemblaggio
FLESSIBILITA' DI DESIGN PER L'UTILIZZO DEI FLUIDI ORGANICI PIU' EFFICIENTI
FLESSIBILITA' DI DESIGN PER L'UTILIZZO DEI FLUIDI ORGANICI PIU' EFFICIENTI
  • Efficienza ottimizzata
  • Soluzione personalizzata sulle caratteristiche della risorsa
FLESSIBILITA' OPERATIVA
FLESSIBILITA' OPERATIVA
  • Prestazioni superiori in condizioni di off-design
POSSIBILITA' DI OPERARE SENZA CONSUMO D'ACQUA
POSSIBILITA' DI OPERARE SENZA CONSUMO D'ACQUA
  • Ridotto impatto ambientale e nessun spreco di acqua 
MANUTENZIONE SEMPLICE, VELOCE ED AFFIDABILE
MANUTENZIONE SEMPLICE, VELOCE ED AFFIDABILE
  • Lungo ciclo di vita dell'impianto
  • Ideale per cicli di produzione dove sono richiesti spegnimenti ed avviamenti rapidi degli impianti
FACILE REPERIBILITA' DEI FLUIDI CON REFILLING RARAMENTE NECESSARI
FACILE REPERIBILITA' DEI FLUIDI CON REFILLING RARAMENTE NECESSARI
  • Costi di funzionamento più bassi

1990


L'utilizzo dei sistemi ORC si espande rapidamente soprattutto per le applicazioni nel geotermico e nelle biomasse, lasciando ancora un ampio margine di crescita nel recupero di calore e nel solare termodinamico. 

1980


LA SCUOLA FINLANDESE

In Finlandia, il Prof. J. Larjola guida lo sviluppo di turbogeneratori ermetici ad alta velocità nella taglia delle centinaia di kW. In questa configurazione il generatore e la pompa sono montate sullo stessso albero. Questo nuovo turbogeneratore ORC è stato usato per la prima volta per caricare le batterie di un sommergibile nel 1987. 

1970


In Italia, il Prof. G. Angelino, assieme a Ennio Macchi e Mario Gaia iniziano l'attività di ricerca sugli ORC al Politecnico di Milano. Cominciano a studiare la possibilità di usare i fluidi organici in sostituizione all'acqua per alimentare i cicli Rankine, nelle applicazioni solari, spaziali e nel settore automotive.  

1945


Collaborando con il Prof. d'Amelio che per primo disegnò un impianto che utilizzava etil cloride per muovere una turbina e generare elettricità, la Società Anonima Forze Endogene Napoletane (SAFEN) installa un impianto geotermico da 300 kW sull'isola di Ischia. L'impianto entra in funzione nel 1955 e diventa un precursore, il primo nel mondo, di un moderno impianto geotermico binario. 

1935


Il Prof. Luigi D'Amelio utilizza un fluido organico in un impianto con una turbina. E' anche il primo a considerare i vantaggi dell'elevata massa molecolare dei fluidi per ridurre la velocità e gli stadi della turbina. 

1883


Frank Ofeldt sviluppa un motore elettrico che usa la nafta al posto dell'acqua. 

1840


Il Prof William John Macquorn Rankine sviluppa una teoria completa sulle macchine a vapore descrivendo come sia possibile produrre elettricità per differenza di temperatura tra una fonte di calore e una fonte fredda e concependo un ciclo termodinamico che poi prese il suo nome: Rankine Cycle.

1824


Nicolas Léonard Sadi Carnot publblica Reflections on the Motive Power of Fire, nel quale illustra la prima teoria sulla massima efficienza nei motori basati su energia termica. Questo trattato metterà le fondamenta per una nuova disciplina: la termodinamica. 

News
04/05/2022
AL VIA PARTNERSHIP TRA STRABAG ED EXERGY NEL GEOTERMICO

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