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Produrre energia pulita e competitiva da svariate fonti di calore con gli impianti ORC
Un sistema a ciclo Rankine a fluido organico (ORC) è un ciclo termodinamico chiuso utilizzato per la produzione di energia da fonti di calore da bassa a medio-alta temperatura, tra 80 e 400 °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.
Per decenni le turbine più usate per i cicli ORC nel mondo sono state quelle assiali e radiali a flusso centripeto. EXERGY ha invece scelto una strada innovativa, impiegando la turbina radiale centrifuga (Radial Outflow Turbine o ROT) nei suoi impianti ORC.
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.
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 in modo efficiente da fonti termiche a bassa temperatura. Il fluido organico è selezionato secondo le proprietà termodinamiche caratteristiche 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:
I principali componenti di un ciclo Rankine a fluido organico sono:
1
LA TURBINA
È 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. È 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.
Gli impianti 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 sopra i 90°C
Generazione elettrica da biomasse
Solare termodinamico (CSP)
Generazione elettrica dal recupero di calore nei processi industriali
Generazione elettrica dal recupero di calore in motori e turbine diesel o a gas
I cicli ORC sono più competitivi e flessibili dei cicli Rankine a vapore, scopri perché.
1
ADATTI PER APPLICAZIONI A TEMPERATURE PIÙ BASSE
Maggiori possibilità di applicazione in tutto il mondo
2
ASSENZA FASE LIQUIDA DURANTE L’ESPANSIONE
Turbina più affidabile e durevole
Costi di manutenzione inferiori
3
COMPATTO E AUTOMATIZZATO
Nessuna necessità di operatori per il funzionamento
4
COMPATTO E CONFIGURAZIONE MODULARE
Facilità di trasporto ed installazione
Ridotta impronta ambientale
Ridotta occupazione di suolo
Minori costi per fondazioni e assemblaggio
5
FLESSIBILITÀ DI DESIGN PER L’UTILIZZO DEI FLUIDI DI LAVORO PIÙ EFFICIENTI
Efficienza ottimale
Soluzione personalizzata sulla caratteristica della risorsa
6
FLESSIBILITÀ OPERATIVA
Prestazioni superiori in condizioni di off-design
7
POSSIBILITÀ DI FUNZIONAMENTO SENZA CONSUMO D’ACQUA
Ridotto impatto ambientale
Nessun trattamento delle acque necessario
Possibilità di applicazione in aree remote
8
MANUTENZIONE SEMPLICE, VELOCE E AFFIDABILE
Lungo ciclo di vita dell’impianto
ideale per cicli di produzione dove sono richiesti spegnimenti ed avviamenti rapidi degli impianti
9
FACILE REPERIBILITÀ DEI FLUIDI DI LAVORO CON RIEMPIMENTI RARAMENTE NECESSARI
Costi di funzionamento più bassi
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ADATTI PER APPLICAZIONI A TEMPERATURE PIÙ BASSE
Maggiori possibilità di applicazione in tutto il mondo
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ASSENZA FASE LIQUIDA DURANTE L’ESPANSIONE
Turbina più affidabile e durevole
Costi di manutenzione inferiori
3
COMPATTO E AUTOMATIZZATO
Nessuna necessità di operatori per il funzionamento
4
COMPATTO E CONFIGURAZIONE MODULARE
Facilità di trasporto ed installazione
Ridotta impronta ambientale
Ridotta occupazione di suolo
Minori costi per fondazioni e assemblaggio
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FLESSIBILITÀ DI DESIGN PER L’UTILIZZO DEI FLUIDI DI LAVORO PIÙ EFFICIENTI
Efficienza ottimale
Soluzione personalizzata sulla caratteristica della risorsa
6
FLESSIBILITÀ OPERATIVA
Prestazioni superiori in condizioni di off-design
7
POSSIBILITÀ DI FUNZIONAMENTO SENZA CONSUMO D’ACQUA
Ridotto impatto ambientale
Nessun trattamento delle acque necessario
Possibilità di applicazione in aree remote
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MANUTENZIONE SEMPLICE, VELOCE E AFFIDABILE
Lungo ciclo di vita dell’impianto
ideale per cicli di produzione dove sono richiesti spegnimenti ed avviamenti rapidi degli impianti
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FACILE REPERIBILITÀ DEI FLUIDI DI LAVORO CON RIEMPIMENTI RARAMENTE NECESSARI
Costi di funzionamento più bassi
Storia dell'ORC
2000
Nelle ultime due decadi il mercato degli ORC è cresciuto sensibilmente, diventando la tecnologia preferita per gli impianti geotermici. L’urgenza di incrementare l’efficienza energetica e gli investimenti in tecnologie per la decarbonizzazione continuerà a guidare la crescita del settore per l’applicazione del recupero di calore in varie industrie.
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
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 montati sullo stesso 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
1983
Frank Ofeldt sviluppa un motore elettrico che usa la nafta al posto dell’acqua.
1840
ll 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.
