Sviluppare soluzioni decentralizzate – produzione di energia da calore industriale

GET® generatore a turbina (Foto: Universität Bayreuth) / generatore a turbina GET (Foto: Universität Bayreuth)

Impianto di ricerca ORC (Foto: Università di Bayreuth)

Con il progresso della transizione energetica cresce l'interesse per unità di produzione decentralizzate e regolabili. L'utilizzo del calore di scarto nei processi industriali può contribuire significativamente ad aumentare l'efficienza energetica e a produrre energia elettrica a basso contenuto di CO2. Il ciclo Rankine organico (ORC) offre un approccio tecnologico per la conversione del calore di scarto in energia elettrica. Il consorzio della Baviera settentrionale, formato dall'Università di Bayreuth, dall'OTH Amberg-Weiden e dalla ditta DEPRAG, si occupa da ormai 7 anni con successo dello sviluppo di sistemi ORC e in particolare di microturbine di espansione nel piccolo range di potenza sotto i 50 kW (elettrici).  

Il recupero di flussi energetici inutilizzati, come il calore dei gas di scarico di motori a combustione o turbine a gas, o anche il calore di scarto di processi industriali, rappresenta un approccio promettente per migliorare l'efficienza energetica. Le soluzioni tecniche esistenti, come i processi di generazione di vapore a valle o le turbine come espansori di gas naturale, si limitano a flussi energetici con temperature superiori a 500 °C e potenze elettriche superiori a 100 kW. Per raggiungere una penetrazione di mercato più ampia e un effetto positivo tangibile sul sistema energetico attuale, è importante sfruttare anche i potenziali significativi a bassi livelli di temperatura. 

Il concetto: turbina ORC efficiente e di piccola scala

L'ORC si presta in particolare per fonti di calore con temperature tra 100 °C e 500 °C come tecnologia di conversione energetica. Si tratta fondamentalmente del noto processo di generazione di vapore, che prende il nome dal fisico e ingegnere scozzese William John Macquorn Rankine (1820 – 1872). A differenza delle centrali di produzione convenzionali, nei sistemi ORC vengono utilizzati fluidi organici invece dell'acqua come mezzo di lavoro. Questi materiali hanno il vantaggio di vaporizzarsi già a temperature relativamente basse. Nel range di potenza elettrica inferiore a 100 kW, questa tecnologia non si è ancora sufficientemente affermata. Ciò è dovuto anche alla mancanza di microespansori economici con generatori. Proprio qui si trova un importante punto di partenza per il lavoro di ricerca e sviluppo intensivo dei partner della cooperazione. È stato infatti sviluppato un'unità innovativa, altamente integrata, composta da una turbina a flusso assiale a pressione costante con un generatore sincrono ermetico (Figura della turbina). Inoltre, è stato sperimentato un design innovativo di scambiatore di calore (scambiatore a piastre e guscio) per collegare direttamente il mezzo di lavoro ORC ai gas di scarico. Con questa misura si evitano circuiti intermedi costosi.

stretta collaborazione: Bayreuth e Amberg

Nel progetto "Sviluppo di una microcentrale ORC per l'utilizzo del calore di scarto", finanziato dalla Fondazione di Ricerca Bavarese tra il 2011 e il 2013, sono state inizialmente integrate le competenze specifiche dei tre partner in diverse fasi di sviluppo: simulazione stazionaria e scelta del fluido, progettazione e produzione di un evaporatore diretto e di una microturbina di espansione con generatore, progettazione dell'impianto dimostrativo, nonché costruzione e messa in funzione dell'impianto. In questo contesto, la microturbina è stata calcolata e dimensionata dal Prof. Dr.-Ing. Andreas Weiß dell'OTH Amberg-Weiden. La DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO., con sede ad Amberg, ha risolto le sfide tecniche nella produzione della microturbina ORC. Infine, è stato costruito un impianto di ricerca presso il Centro di Tecnologia Energetica (ZET) dell'Università di Bayreuth, sotto la guida del Prof. Dr.-Ing. Dieter Brügmann (Figura dell'impianto di ricerca). "La collaborazione intensa e mirata tra gli sviluppatori di turbine di Amberg e i termodinamici di Bayreuth ha portato infine a ottenere una potenza elettrica di 12 kilowatt con un rendimento della turbina di quasi il 65%, sfruttando temperature di scarico fino a 300 gradi Celsius", ricorda la Dr.-Ing. Theresa Weith, che ha seguito il progetto e ora dirige il settore di trasferimento di calore presso il ZET.

Sviluppo continuo: applicazioni più ampie e utilizzo più flessibile

Il progetto di ricerca descritto rappresenta il primo passo di un'evoluzione coerente della tecnologia ORC da parte dei partner del progetto. Dopo la costruzione e il collaudo con successo di un impianto sperimentale con vaporizzazione diretta di ciclopentano e di una microturbina come espansore, nell'ambito del sotto-progetto KoKWK "Microturbine di espansione con generatori a velocità elevata per la produzione di energia dal calore di scarto in cogenerazione o altri processi industriali", finanziato dal Ministero bavarese dell'istruzione, della cultura, della scienza e dell'arte tra il 2013 e il 2016, è stato sviluppato un sistema modulare per generatori di microturbine di espansione. Tre diversi rappresentanti di questa famiglia sono stati ampiamente testati in un secondo impianto ORC con esametildisilossano (MM) come fluido di lavoro.

Grazie al funzionamento molto affidabile del nuovo impianto sperimentale ORC, le turbine sono state testate non solo nel punto di progetto, ma anche in condizioni di carico parziale, permettendo di determinare le caratteristiche di efficienza e rendimento. Le misurazioni effettuate confermano ulteriori miglioramenti di efficienza, consentendo di raggiungere rendimenti della turbina vicini al 75%. Tutti i partecipanti hanno sempre cercato di collegare calcoli teorici a prove concrete in laboratorio. "Numerose pubblicazioni in questi campi si sono limitate a calcoli al computer, lasciando però le prove sperimentali. Noi siamo riusciti a colmare questa lacuna e a mostrare il grande potenziale di generazione di energia anche in piccole installazioni ORC", sottolinea il Prof. Brügmann.

Il fatto che gli obiettivi ambiziosi siano stati raggiunti non solo a livello scientifico si evidenzia anche con la "Green-Energy-Turbine (GET®)", una famiglia di prodotti della ditta DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO., la cui architettura si basa in modo sostanziale sui progetti descritti. Con cinque diverse dimensioni, può coprire un intervallo di potenza elettrica da 3 kW a 175 kW. Grazie alla semplicità di costruzione, il generatore-turbina GET può essere adattato rapidamente e a basso costo alle diverse potenze, fluidi di lavoro, pressioni e temperature richiesti in pratica, e attualmente sono già in campo circa 100 macchine.

Nonostante i successi già conseguiti, i partner del progetto hanno fissato obiettivi ancora più ambiziosi. Nel nuovo progetto, finanziato dal BFS, si intende sviluppare una turbina adattiva con geometria variabile e testarla nell'impianto di ricerca esistente. "Vogliamo che la turbina si adatti in modo intelligente ed efficiente alle frequenti condizioni di carico parziale", spiega il Prof. Weiß.