Sistema ORC

Soluzioni a Ciclo Rankine Organico per la Generazione di Energia con Turbogeneratori

Il sistema ORC (Ciclo Rankine Organico) si basa su un innovativo ciclo termodinamico chiuso per la produzione flessibile e distribuita di energia elettrica e termica. Questa tecnologia ORC è particolarmente adatta per la generazione distribuita vicino al punto di utilizzo dell'energia, impiegando turbogeneratori che convertono l'energia termica in energia elettrica senza la necessità di acqua o vapore. I sistemi ORC di Turboden sfruttano diverse fonti di calore per generare elettricità e calore, come le energie rinnovabili (come le biomasse e l’energia geotermica), i combustibili fossili tradizionali, il calore di scarto dei processi industriali, gli inceneritori di rifiuti, i motori o le turbine a gas. L'assenza di acqua e vapore nel processo ORC elimina la necessità di complessi sistemi di turbine a vapore, rendendo la tecnologia più compatta, affidabile e facile da mantenere.

Valorizzazione delle Fonti Termiche con Turbine ORC

L'innovativa tecnologia ORC consente di recuperare e convertire il calore di scarto in energia elettrica utilizzando turbine appositamente progettate. Questi turbogeneratori a ciclo Rankine organico rappresentano una soluzione flessibile ed efficiente per valorizzare un'ampia gamma di fonti termiche, sia rinnovabili che non rinnovabili, ottimizzando i processi energetici in un approccio di economia circolare. Le turbine ORC funzionano senza la necessità di acqua o vapore, basandosi su fluidi organici con proprietà termodinamiche favorevoli per guidare il processo di generazione di energia. Questa caratteristica unica dei sistemi ORC consente l'utilizzo efficiente di fonti di calore a bassa e media temperatura che altrimenti rimarrebbero inutilizzate, contribuendo ad aumentare l'efficienza energetica e a ridurre l'impatto ambientale.

453

impianti*

1037.1000000000008

MWe totali

1999

primo impianto consegnato

*63 impianti in costruzione

IL CICLO RANKINE

Il principio del ciclo Rankine organico è lo stesso del ciclo Rankine a vapore per trasformare l'energia termica in energia meccanica e infine in energia elettrica attraverso un generatore elettrico ma, al posto dell'acqua come fluido di lavoro, il sistema ORC utilizza un fluido organico, caratterizzato da una elevata massa molecolare.

Il ciclo Rankine a vapore fornisce circa l'85% della produzione mondiale di elettricità.

L'utilizzo di fluidi organici consente una rotazione più lenta della turbina, pressioni di lavoro più basse e nessuna erosione delle parti metalliche e della turbina.

Il turbogeneratore ORC utilizza olio diatermico a media-alta temperatura per preriscaldare e vaporizzare un fluido di lavoro organico opportuno nell'evaporatore (4> 5). Il vapore di fluido organico fa ruotare la turbina (5> 6), che è direttamente accoppiata al generatore elettrico, producendo energia elettrica in modo affidabile.

Il vapore esausto attraversa il rigeneratore (6> 7), dove riscalda il liquido organico (2> 3) e viene quindi condensato nel condensatore raffreddato dal circuito di raffreddamento (7> 8> 1). Il fluido di lavoro organico viene quindi pompato (1> 2) nel rigeneratore e nell'evaporatore, completando così il ciclo chiuso.

CARATTERISTICHE

L'ORC è un sistema basato su un ciclo termodinamico a ciclo chiuso per la generazione di energia elettrica e termica, particolarmente adatto alla generazione distribuita. In questa sezione vengono spiegati i punti chiave della tecnologia ORC rispetto alla tecnologia a vapore.

Ampia gamma di dimensioni, dalle piccole alle medie dimensioni (fino a 40 MW per singolo albero)
Diverse fonti di energia primaria, dalle energie rinnovabili (geotermica, solare, biomassa) all'efficienza energetica (cioè il calore di scarto dei processi industriali) ai combustibili convenzionali (gas naturale, gas di combustione)
Diversi tipi di fluidi termovettori: fluidi intermedi (olio diatermico, vapore saturo, acqua) o direttamente dal fumo industriale attraverso uno scambio diretto
Grande elasticità: diverse temperature della sorgente (anche al di sotto dei 100°C grazie alla selezione del fluido di lavoro appropriato); carico parziale (il sistema ORC mantiene un'elevata efficienza elettrica anche quando si opera con una minore potenza termica in ingresso, anche il 10% di quella nominale)

* L'efficienza del sistema ORC è sempre ottimizzata: in media al 50% del carico, l'efficienza elettrica è ancora il 90% dell'efficienza elettrica nominale.

Modalità di cogenerazione o modalità di sola potenza elettrica. Nella cogenerazione, la potenza termica può essere acqua calda o vapore
Facilità di integrazione in sistemi preesistenti (ad es. nel recupero del calore residuo dei processi industriali)
Capacità di funzionamento in modalità isola

Caratteristiche tecniche semplici: basse pressioni in gioco, turbina a bassa velocità, numero limitato di stadi della turbina (≤6), fluidi autolubrificanti, non è richiesta acqua
Funzionamento e manutenzione facili ed economici: funzionamento automatico (non è richiesto un operatore qualificato), attività di manutenzione minime, nessuna revisione importante (turbina non soggetta ad erosione e corrosione), procedure veloci di start-stop, nessun trattamento chimico e dell'acqua, basso rifornimento di fluido richiesto
Possibilità di installare l'unità ORC in luoghi remoti, lavorando in modo efficiente

Alta disponibilità (98% +)
Lunga vita utile

Sistema centrale per le energie rinnovabili e l'efficienza energetica
Generazione pulita di energia e calore
Riduzione delle emissioni di CO₂ (ad esempio nel recupero di calore o nel geotermico dove il sistema ORC funziona a zero emissioni grazie alla reiniezione)

INNOVAZIONE

Turboden è sempre stata orientata all'innovazione e alla ricerca e sviluppo e ha sempre avuto un forte legame con la ricerca accademica. L'azienda è pioniere della tecnologia ORC grazie alla progettazione e alla produzione di impianti ORC sperimentali come la prima unità ORC solare termodinamica nel 1984, la centrale elettrica ORC a recupero di calore nel 1996 e la prima unità ORC industriale a biomassa nel 1998. Turboden ha un centro interno di ricerca e sviluppo, che lavora sulla fluidodinamica e la termodinamica per migliorare continuamente le prestazioni delle sue unità ORC.

LA TURBINA

Sono state progettate e realizzate più di 60 diverse turbine assiali per vari progetti, da 2 a 6 stadi che raggiungono fino a 40 MW di potenza e in alcuni casi superano il 90% di efficienza isentropica.

FLUIDI DI LAVORO

Finora Turboden ha utilizzato più di 10 diversi fluidi di lavoro, ad esempio fluidi al silicio, idrocarburi, refrigeranti di vecchia e nuova generazione, a seconda dell'applicazione. Nel corso del tempo e attraverso un importante sforzo di ricerca e sviluppo, Turboden ha sviluppato una profonda conoscenza delle proprietà dei fluidi, della stabilità termica e dell'infiammabilità, fattori chiave nella decisione del fluido migliore per ogni specifica applicazione. Un'installazione ORC di successo inizia con la giusta selezione del fluido.

TEMPERATURE DI FUNZIONAMENTO

La conoscenza unica di Turboden dei fluidi e l'attitudine all'innovazione hanno permesso di aumentare continuamente la temperatura di esercizio, migliorando i livelli di efficienza nelle sole configurazioni di potenza e di cogenerazione. Oggi la temperatura di ingresso della turbina che supera i 300°C è una tecnologia standard, un'ulteriore conferma della leadership di Turboden nel suo settore.

L'ultimo sviluppo di Turboden è nelle applicazioni a biomassa, dove una nuova unità ORC opera a temperature molto elevate (circa 400°C) sia in modalità CHP (generazione di vapore a media pressione per alimentare gli utenti industriali), sia in soluzione di sola potenza (oltre il 30% di efficienza elettrica lorda).

NOTE STORICHE

Il ciclo Rankine prende il nome da William John Macquorn Rankine (5 luglio 1820 - 24 dicembre 1872), ingegnere e fisico scozzese. Fu uno dei fondatori della scienza della termodinamica. Rankine sviluppò una teoria completa del motore a vapore e di tutti i motori a calore. I suoi manuali di scienza e pratica ingegneristica sono stati utilizzati per molti decenni dopo la loro pubblicazione negli anni '50 e '60 del XIX secolo. Pubblicò diverse centinaia di articoli e note su argomenti scientifici e ingegneristici, a partire dal 1840, e i suoi interessi erano estremamente variegati, tra cui, in gioventù, la botanica, la teoria musicale e la teoria dei numeri, e la maggior parte dei principali rami della scienza, della matematica e dell'ingegneria. Era un entusiasta cantante dilettante, pianista e violoncellista che componeva le sue canzoni umoristiche.

Il ciclo Rankine è solitamente basato sull'acqua come fluido di lavoro. Le applicazioni del ciclo con diversi fluidi di lavoro hanno cominciato ad apparire presto, come le imbarcazioni della Nafta. Nel 1883 Frank Ofeldt sviluppò un sistema di alimentazione unico che sperava avrebbe sostituito il vapore. I suoi motori a nafta sono motori a vapore che fanno bollire la nafta (una forma di benzina) al posto dell'acqua per azionare i pistoni. All'epoca il governo richiedeva una licenza per far bollire l'acqua nei motori a vapore, ma non ne richiedeva una per far bollire la benzina. Pertanto, per la prima volta un marinaio gentiluomo poteva far funzionare la propria barca a motore senza l'assistenza di un ingegnere. Si dovrebbe essere di "gentiluomo" per possedere una di queste imbarcazioni. Negli anni Ottanta del XIX secolo, una barca di 21 piedi con motore a nafta costava 750 dollari - una volta e mezzo il salario annuo degli artigiani che le costruivano (dal sito web del Mystic Seaport Museum).

La tecnologia del Ciclo Rankine Organico è stata sviluppata seriamente solo nel corso del XX secolo. In Italia, un esperimento è stato condotto negli anni Trenta sull'Isola d'Ischia. Importanti studi sono stati condotti dopo la seconda guerra mondiale in Russia, USA e Israele. Tornando all'Italia, negli anni Settanta nasce la Scuola Italiana ORC presso il Politecnico di Milano, la più importante Università di ingegneria italiana. Il suo fondatore è stato il Prof. Gianfranco Angelino, con i suoi colleghi Prof. Ennio Macchi e il Prof. Mario Gaia, fondatore di Turboden.

Il Ciclo Rankine Organico è una forma ben nota e ampiamente diffusa di produzione di energia, soprattutto nelle applicazioni di biomassa e geotermiche, ma si prevedono anche grandi aumenti nelle applicazioni solari e di recupero del calore. La preoccupazione ambientale per il cambiamento climatico e i prezzi fluttuanti del petrolio e del gas sono ragioni potenti per sostenere la crescita di questo modo efficiente, pulito e affidabile di produrre elettricità.

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