Cogenerazione a biomassa mediante Turbogeneratori ORC Turboden : tecnologia, efficienza, esperienze pratiche ed economia

 

Riassunto

 

I turbogeneratori basati sul Ciclo Rankine a fluido organico (ORC) sono una soluzione molto promettente per la cogenerazione a biomassa, tipicamente con potenza nominale tra 400 e 1500 kW elettrici per unita.

 

A sei anni dalla messa in marcia del primo impianto industriale di cogenerazione a biomassa basato su un turbogeneratore ORC e una caldaia ad olio diatermico, diversi impianti in Europa operano senza supervisione e con alta affidabilita. I vantaggi di questa tecnologia in termini di alta disponibilita, costi di manutenzione contenuti, funzionamento completamente automatico senza intervento di personale ed alta efficienza elettrica nei sistemi di cogenerazione a biomassa di questa taglia, sono stati confermati nell' uso pratico.

 

Le valutazioni economiche basate suN'esperienza di queste prime installazioni dimostrano che questi impianti sono adatti alia produzione economicamente competitiva di energia elettrica nei numerosi paesi europei, in cui sono implementati incentivi per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. Applicazioni tipiche sono impianti cogenerativi di teleriscaldamento e la cogenerazione nell'industria del legno, dove questa tecnologia sta vivendo una crescente domanda di installazioni.

 

Introduzione

 

Spesso e preferibile produrre elettricita da biomassa per mezzo di generatori con potenza per unita relativamente piccola, in modo da ottenere biomassa da fonti singole o da un numero di fonti dislocate in una superficie limitata, senza un complesso sistema di raccolta della biomassa e senza costi aggiuntivi commerciali, di trasporto e magazzinaggio. Inoltre, la costruzione di grandi impianti a biomassa o di trattamento dei rifiuti richiede approfonditi studi per identificare la collocazione ideale ed ottenere il consenso delle autorita locali.

 

In generale il limite alia taglia si pone a 1500 kW elettrici, poiche fino a questa potenza e relativamente facile trovare utenti per I'energia termica ottenuta a valle dell' impianto di produzione elettrica. Dal punto di vista ambientale, I'uso del calore scaricato dall' impianto e molto importante, perche permette di sfruttare completamente il potenziale di riduzione delle emissioni di CO2 dato dalle risorse di biomassa disponibili.

 

Anche se I'efficienza della conversione in energia elettrica e un aspetto fondamentale, ci sono altri fattori altrettanto importanti. In particolare I'emissione di sostanze inquinanti deve essere molto bassa, sia per soddisfare le richieste della legge, sia per conquistare alia biomassa I' immagine di fonte di energia rinnovabile e pulita a lungo termine. Inoltre, le esigenze di manodopera e i costi di gestione e manutenzione devono essere molto bassi.

 

Un impianto con taglia fino a 1500 kW deve essere in grado di operare senza alcuna supervisione, con ispezioni da parte dell'operatore distanziate di diversi giorni. In particolare, la manutenzione non deve implicare dispendio di tempo o incarichi difficili o "sporchi". L'impianto dovrebbe preferibilmente essere rapido nell' accensione ed in grado di operare a diversi livelli di potenza, mantenendo una buona efficienza nell' intero campo di funzionamento.

 

I sistemi di gassificazione, accoppiati con un motore a combustione interna, sebbene in teoria siano promettenti dal punto di vista della pura efficienza, sono invece critici dal punto di vista della gestione e della manutenzione.

 

La combustione di biomassa in una caldaia e molto meno impegnativa ed oggi molto meglio risolta. Nella ricerca di un sistema affidabile, di lunga durata, con basse esigenze di gestione e manutenzione (O&M), sono stati sviluppati, costruiti e testati gli impianti di cogenerazione alimentati a biomassa, caratterizzati da una caldaia ad olio diatermico ed da un turbogeneratore ORC.

 

 

Criteri progettuali del sistema di cogenerazione ORC

 

Normalmente, il controllo di questi sistemi si basa sul principio che la produzione elettrica segue la richiesta termica (per esempio da parte di chi utilizza I'impianto di teleriscaldamento), vale a dire che la biomassa e bruciata solo in base alia richiesta di calore.

 

II sistema si basa sui seguenti passaggi principali:

 

La biomassa e bruciata in una caldaia costruita seguendo le tecniche ampiamente consolidate in uso anche per le caldaie ad acqua calda. Queste caldaie con i loro elementi accessori (filtri, comandi, smaltimento automatico della cenere, dispositivo di rifomimento della biomassa, ecc.) sono frutto di una lunga evoluzione e si possono considerare sicuri, affidabili, puliti ed efficienti.

 

L'olio diatermico utilizzato come fluido termovettore di calore offre numerosi vantaggi, tra cui bassa pressione nella caldaia, elevata inerzia termica e quindi stabilita nei cambiamenti di carico, regolazione e controllo semplici e sicuri. Inoltre, la temperatura utilizzata (circa 300°C) nella parte calda dell'impianto assicura lunga durata all'olio diatermico. L'utilizzo di una caldaia ad olio diatermico consente altresi I'attivita senza un operatore patentato, come invece e richiesto per i sistemi a vapore in molte nazioni europee.

 

Un turbogeneratore ORC e utilizzato per convertire il calore a disposizione in elettricita. Grazie all'ORC, e quindi grazie aN'utilizzo di un fluido di lavoro opportunamente formulato e all'ottimizzazione del progetto della macchina, si ottengono alto rendimento e alta affidabilita. II calore di condensazione del turbogeneratore e usato per produrre acqua calda a circa 80 - 90°C, un livello di temperatura adeguato al teleriscaldamento e ad altri usi a bassa temperatura (essiccazione del legno e raffreddamento attraverso impianti ad assorbimento, ecc.).