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Il Laboratorio di Tecnologie per la
Microcogenerazione
Ing. Andrea De Pascale
Università di Bologna –
• Dipartimento di ingegneria
industriale (DIN)
• Centro interdipartimentale di
Ricerca Industriale (CIRI)
Energia e Ambiente
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1. ORC & Micro ORC
2. MTG e IBC
3. Fuel Cells
(Organic Rankine Cycle)
(Micro Turbine)
(Celle a combustibile)
Il Laboratorio: tecnologie m-CHP innovative,
basate sull’impiego delle rinnovabili,
oggetto delle nostre ricerche
3
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Il Laboratorio: assetto attuale,
sperimentazione di sistemi m-ORC
Sistemi m-ORC
per utenze elettriche,
termiche e mecc.
Sorg. termica & accumulo Utilizzo/dissipazione en.el./ termica
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Perché la tecnologia ORC ?
Integrabilità con Rinnovabili - CO2 footprint reduction
Politiche di indirizzo: EU SET-Plan, PER,…
Ampio mercato potenziale – civile/residenziale
Semplicità tecnologica
Flessibilità: sorgenti termiche, temperature, fluidi, taglie…
Margini per ulteriori innovazioni
5
www.ravenna2016.itDomestic Industrial, tertiary Large Power Plants
Applicazioni
ORC
MCI
Effic
ienza %
0 1 10 100 1000 104 105 106
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Fuel cells
Stirling
Hybrid FC + GT
TPV
Combined cycles
USC &
IGCC
TG AD
Steam
TG HD
Taglia potenza [kW]
MTG
MRC
La Tecnologia m-ORC
il mercato potenziale e i concorrenti
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Sistema ORC (Organic Rankine Cycle):
componenti e funzionamento
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la Tecnologia ORC /m-ORC:
caratteristiche generali
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SEMPLICITA’ LAYOUT
Opera secondo ciclo di RANKINE
SORGENTE di calore esterna (recupero
cascami termici, combustione, solare,...)
Impiega FLUIDI ORGANICI «secchi»
inerti e ad alto peso molecolare
Limitate sollecitazioni termiche, rispetto
alle grandi centrali: temp. max vapore
250°C, potenze specifiche modeste
Macchine di tecnologia semplice,
turbine ad espansione secca, pochi stadi
possibile assetto CHP
TAGLIE piccole: 100-2000 kW,
micro: ~ 1-100 kW
Espansore
Recuperatore
Condensatore
Pompa
Sorgente
di calore
~
s
10
5
4
32'
2
Hot source fluid
1
2
3
4
5
Cold source fluid
T Tmax
Tout
Tmin
t
Evaporatore
Alternatore
Sorg.
fredda
layout termodinamica
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ORC: temperature di esercizio/recupero
0.01
0.1
1
10
100
1000
10000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Temperatura sorgente calda, Tmax
[°C]
Tagli
a d
i p
ote
nza
ele
ttric
a [
kW
]
Stirling
TPVTI
ORC
TE
IBCFC
(low T)
FC (high T)
Micro-ORC
Cascami termici
a bassa temperatura
Cascami termici
a media temperatura
10
10
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ORC: tipologie di
sorgenti calde e applicazioni
Combustione esterna
(biomasse)
Recupero da cascami termici
industriali o da motori
Ciclo
termodinamico
ORC
Caldaia a
Combustione
Esterna
Motore primo
Energia utile
meccanica/elettrica
Energia utile termica
a bassa temperatura
fumi
Solare
11
11
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0%
5%
10%
15%
INFINITY TURB. (USA)
NEWCOMEN (ITA)
ZUCCATO EN. (ITA)
EXA ENERGIE (ITA)
TERMOCYCLE (NED)
GMK (GER)
ADATURB (GER)
ENEFTECH (CH)
CONPOWER (GER)
ELECTRATHERM (US)
VERDICORP (USA)
1 10 100
Ele
ctri
c E
ffic
ien
cy
Electric Power Output [kW]
GE (USA)
GT2014-26914
ASME Turbo Expo 2014
Il Laboratorio:
focus su m-ORC nel range di taglie 1-100 kW
Il rendimento elettrico
Unità commerciali o in via di sviluppo: prestazioni attese
• Diversi piccoli prototipi
• Rendimenti dichiarati: 5-13%
• Accoppiamento con caldaie ad
acqua calda (T = 70-120°C)
• Temperature del vapore interno
limitate dalla sorgente di calore
• Fluidi: HFC per impieghi frigoriferi
• Espansori di tecnologia ben nota,
con geometrie semplici e costi
ridotti (macchine volumetriche)
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0%
5%
10%
15%
INFINITY TURB. (USA)
NEWCOMEN (ITA)
ZUCCATO EN. (ITA)
EXA ENERGIE (ITA)
TERMOCYCLE (NED)
GMK (GER)
ADATURB (GER)
ENEFTECH (CH)
CONPOWER (GER)
ELECTRATHERM (US)
VERDICORP (USA)
1 10 100
Ele
ctri
c E
ffic
ien
cy
Electric Power Output [kW]
GE (USA)
Selected machine
consistent with a
domestic user,
coupled with a
35kW biomass
boiler
GT2014-26914
ASME Turbo Expo 2014
Il Laboratorio:
unità m-ORC in corso di test
Il rendimento elettrico
Recuperator
Condensers
Expander
Evaporator
Fluid
tank
Generator
Pump
By-pass
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Il Laboratorio:
unità m-ORC in corso di test
Realizzazione banco prova:Strumentazione del Layout interno all’ORC e completamento dei
circuiti idraulici esterni di fornitura calore e di raffreddamento
EVAPORATOR
Filter
RECUPERATOR
Water
Cond.
Air
Cond.
1
6'
7
8
9
VS
VM7
(26.5 bar)
VM5VM5'
VM3
VM 2
F
H2O cooling OUT
H2O cooling IN
EXPANDER
VM8
ME
ME
V2NA
V2'NA
H2O hot IN
H2O cold OUT
Sensori futuri
Sensori presenti
2
3
4
2'
5
VM6
6
VM6'
5'
Tank
T
T
V1NC
TC T
Punti disponibili per misure
Pa T
Sensori per funzionamento
Pb
T
J
T
J
J
J
Pump
J
J
J
J
T
T
T
T
T
J Presa per estrazione fluido
T
T
VM 1
Pa
Pa
Pa
Pb
Pb
Pb
TPb
J
Il ciclo interno del fluido organico I circuiti idraulici esterni
ORC
V3V
P2
VR
Puffer
500 l
Electric resistance
(4X8 kW)
EVAP
CONDENSER POZZO
P1
H2O cooling IN
Cold tank
300 l
T
PPOZZOH2O cooling OUT
F
R1
R2
R3
R4
T
V.esp. P3
T
VR
T
T
T
Pa
T
T
Termometri
Sensori presenti
TC K
Punti disponibili per misure
Sensori per funzionamento
T
T TC T
T
TC K a superficieTs
Misuratore di portataF
Ts
Ts
Ts
Ts
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Il Laboratorio:
unità m-ORC in corso di test
Strumentazione del banco prova
Grandezze misurate Strumenti caratteristiche
Temperatura fluido
organico
Termocoppie T ad immersione 1mm cl.2,
taratura catena di mis. con RTD
Temperatura acqua di
alimento / raffreddamento
Termocoppie K ad immersione 1 mm cl.2,
taratura catena mis. con RTD
Pressione fluido organico Sensori press. assoluta piezoelettrici pass.
0-10 bar e 0-30bar, prec. 0.1 % e 0.25%,
FP2000 Honeywell
Portata / densità fluido
organico
Misurat. portata massica ad effetto Coriolis
(err.: max d.l. ±1.5%, o.r. (liq.) 0.15%, (gas)
0.35%), Endress Promass 80 E
Portata d’acqua
calda/fredda
Misuratori elettromagnetici di portata
Endress Proline 40 (err.: 0.5-2.5% v.i.)
Tensioni/correnti in uscita
e assorbite da pompa
Trasduttori di corrente/tensione ad effetto
Hall, LEM LV 25-P, LA 25-NP
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Il Laboratorio:
unità m-ORC in corso di test
Hardware di acquisizione e controllo
Elaborazione segnali e
visualizzazione dati
Sensori
Realizzazione di una catena di acquisizione misure
Sistema ORC +
• FPGA (Field Programm. Gate Array)• Controller Real Time• Moduli input/output
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Il Laboratorio:
unità m-ORC in corso di test
Realizzazione interfaccia grafica di Acquisizione e Controllo R.T.
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Il Laboratorio:
unità m-ORC in corso di test
Implementazione procedura di calcolo real time degli stati fisici del fluido mediante database termodinamici
Interrogazione database termodinamici specifici per fluidi organici
Coolprop Labview subroutines
www.ravenna2016.itGT2014-26914
ASME Turbo Expo 2014
Thermodynamic simulation of full/partload with commercial tool (ThermoflexTM), with
RefpropTM fluid data (R134a) Data of manufacturer + site + assumptions
0
20
40
60
80
100
120
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0
T [°C]
s [kJ/kg°C]
pv
pk
p=2bar
15bar
25bar
1
2
3
5
35bar
5bar
hot water
cooling water
6
7
8
9
29.4bar
8.8bar
0%
5%
10%
15%
20%
70%
75%
80%
85%
90%
25% 50% 75% 100%
MR
C e
lectr
ic e
ffic
ien
cy [
-]
MR
C t
her
ma
l ef
fici
ency
[-]
Thermal efficiency
Electric efficiency
MRC Electric Load (Pel/Pel,des)
Thot
=95°C is=75%
Tcoold
=10°C boil
=90%
Conversion efficiency
Il Laboratorio:
prestazioni attese
al variare delle condizioni operative
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Il Laboratorio:
alcuni risultati sperimentali
20
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
50 70 90 110
Exp
and
er pow
er [kW
]Pu
mp
pow
er [
kW
]
ORC mass flow [g/s]
Pump Expander
0
5
10
15
20
25
30
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
8 10 12 14 16 18
Con
den
ser Th
ermal p
ow
er OU
T [k
W]
Net
pow
er [
kW
]
EVA Power [kW]
Net power Thermal power OUT
Caratterizzazione sperimentale del micro-cogeneratore
Prestazioni delle macchine motrici/operatrici Produzione potenze in output
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Il Laboratorio: attività previstetest di condizioni operative reali
Registrazione risposta dinamica e prestazioni a
carico variabile del sistema
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
lighting
cold appliances
cleaning appliances
audiovisual appliances
Computer sites
hot appliances
others appliances
hours/day
(b)
pE
L [
-]EVAPORATOR
Filter
RECUPERATOR
Water
Cond.
Air
Cond.
1
6'
7
8
9
VM7
VM5VM5'
VM3
VM 2
F
H2O cooling OUT
H2O cooling IN
EXPANDER
VM8
ME
ME
V2NA
V2'NA
H2O hot IN
H2O cold OUT
23
4
2'
5
VM6
6
VM6'
5'
Tank
V1NC
HP T
LP
T
Pump
VM 1
Pump
Cold Tank
E-4
Profilo di richiesta domestica
Risposta del microgeneratore a profili di carico di utenze assegnate
Embedded C-Rio platform
OLTC
transformer
Active
Load
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Il Laboratorio: attività previstefluidi a basso impatto ambientale
Test di fluidi di 4°
generazione,
sostitutivi degli
HFC, ad es.
R134a R1233zd,
R1234ze(E),
su medesime
macchine
Regolamento CE 517/2014
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Test di fluidi di
per HV4°
generazione,
sostitutivi degli
Il Laboratorio: attività previstevalutazioni tipologie di espansori
50
100
150
200
250
300
350
RADIAL
PISTON
SCREW
AXIAL
SCROLL
0 200 400 600 800 1,000In
let
Tem
per
atu
re [
°C]
Input Thermal Power [kW]
Expander tech.
a viti (screw)
Radiali
Scroll
a pistoni
Assiali
23
a palette
Test di compressori
HVAC come espansori,
macchine reversibili ?
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Collaborazioni in atto/prototipi in studio
Micro generatore elettrico ORC
con espansore volumetrico a
pistoni
Star Engine (ex Newcomen)
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Macchina ORC per il
pompaggio idraulico,
alimentata ad energia solare
(Eliopompa Nova Somor)
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Considerazioni conclusive
• Nell’ambito m-CHP non si è ancora affermato uno standard
tecnologico, malgrado siano già disponibili diverse soluzioni
• Abbiamo sviluppato un know-how sul alcune delle tecnologie più
promettenti/performanti per la micro-cogenerazione.
• In questo momento è in atto, presso il Laboratorio, una
sperimentazione su prototipi m-ORC
• Le indagini svolte riguardano l’integrazione con fonti rinnovabili ai
fini del risparmio energetico/economico/ambientale.
• La nostra ricerca prosegue nell’approfondimento di tecnologie non
mature, per l’incremento delle prestazioni
• Lo studio di fattibilità delle tecnologie m-CHP e l’applicazione a casi
di utenze reali richiede un attento studio delle performance ai carichi
parziali e un dimensionamento tecnico-economico
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Il sito del Laboratorio
Università di Bologna / Dipartimento di Ingegneria Industriale
c/o Scuola di Ingegneria e Architettura, sede di via Terracini 24, Bologna
www.ravenna2016.it
Il Laboratorio di Tecnologie per la
Microcogenerazione
Università di Bologna
Dipartimento di Ingegneria
Industriale - DIN
Sistemi e Macchine per
l’Energia e l’Ambiente
2 Full Prof. (A. Peretto, M. Bianchi)
1 Emeritus Prof. Negri di Montenegro
2 Assistant
1 Post Doc
2 Phd Students
+ master Students
Our Skills on Technologies
Energy Systems,
Thermal Machines
& Components