Il Laboratorio di Tecnologie per la Microcogenerazione...Domestic Industrial, tertiary Large Power...
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Il Laboratorio di Tecnologie per la
Microcogenerazione
Ing. Andrea De Pascale
Università di Bologna - DIN
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Argomenti della Presentazione
Tecnologie di Cogenerazione & Micro-Cogenerazione
Presentazione del Laboratorio e competenze
Studi svolti nell’ambito della Micro-Cogenerazione
Focus sulla tecnologia ORC e attività in corso presso il
Laboratorio sui sistemi micro-ORC
Conclusioni
2
www.ravenna2015.it Domestic Industrial, tertiary Large Power Plants
Applicazioni
ORC
MCI
Effic
ien
za %
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
Le Tecnologie di generazione elettrica:
performance e range di taglia
3
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Il concetto di Cogenerazione
e la Micro (Co)generazione
4
energia elettrica
combustibile
Unità di
Cogenerazione
Calore utile
calore di scarto
per usi civili/terziari (riscaldamento, condizionamento, acqua sanitaria)
per usi industriali (sia calore che freddo per
il processo produttivo)
autoconsumo AT/MT/BT
immissione in rete AT/MT/BT
energia meccanica
“Impianto di micro generazione: impianto per la produzione di energia elettrica,
anche in assetto cogenerativo, con capacità di generazione non superiore a 50 kW”
(L. Marzano 239/04 e modifiche previste da D.Lgs. n°20 del 8/2/2007)
CHP: Combined Heat & Power
4
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Le Tecnologie per la Cogenerazione
Turbine a gas
Cicli combinati
Turbine a vapore
Motori a comb. interna
Sistemi ORC
Motori Stirling
MTG / IBC
Sistemi micro ORC
Celle a combustibile
Sistemi termofotovoltaici
Sistemi termoelettrici
Mature e Diffuse, per la grande taglia
( > 1-10MW)
Disponibili per taglie medio/piccole/micro
1MW /10kW
in fase di sviluppo pre-industriale
Micro-cogeneratori (1-10 kW)
in via di sviluppo
Oggetto di
studio presso
Lab. UNIBO
Innovation
an
d d
evelo
pm
en
t le
vel
5
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Il panorama europeo
6
(Fonte: Rse, 2013)
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Il Laboratorio di Tecnologie per la
Microcogenerazione
Università di Bologna
Dipartimento di Ingegneria
Industriale - DIN
+ 90 permanent Researchers , +100 PhD & Post-Doc
(Mechanical, Energy, Materials and Industrial Engineers)
Sistemi e Macchine per
l’Energia e l’Ambiente
2 Full Prof. (A. Peretto, M. Bianchi)
1 Emeritus Prof. Negri di Montenegro
2 Assistant Prof.
1 Post Doc Research.
3 Phd Students
+ master students
Our Skills on Technologies
Energy Systems,
Thermal Machines
& Components
7
Attività di ricerca
svolte nel Laboratorio
CIRI Energia e Ambiente sulle Tecnologie per la Micro-cogenenerazione
presso DIN, Sede via del Lazzaretto, Bologna
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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:
alcune Tecnologie m-CHP Innovative
oggetto delle nostre ricerche
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Single phase AC bus
AC
AC
ST
AC
K
Air Outlet
Gas to gas
humidifier
Air
Inlet
Water
pump
Filter
H2 Outlet
Reducing
valve
H2 Inlet
S9
Water
tank
Water
Outlet
Water
Inlet
S10
Heat
exchanger
Electro
Valve
Directional
valve
Fuel cell
inverter
Blower
AC
Fan
Transformer
Control
boardS7b
M M
DC
AC
MS7
9
1. ORC & Micro ORC
2. MTG e IBC
3. Fuel Cells
Il Laboratorio:
alcuni esempi di ricerche svolte
Analisi termodinamica
di varianti al ciclo
Studio di sistemi integrati
per il recupero da Topper
(TG, MCI)
Test sperimentali
per le prestazioni
cogenerative
di FC-systems
T C
HX
Hot gas
Cold fluid
Net power
stack
0
50
100
150
200
250
300
350
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1
[kJ/kg°C]
[°C] T
s
3
4
1
1'
2'
0
50
100
150
200
250
300
350
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1[kJ/kg°C]
[°C]T
s
3
4
1
1'
5
sC sup
0
50
100
150
200
250
300
350
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5
[kJ/kg°C]
[°C]T
s
2
3
4
1
1'
3'
5
2'
0
50
100
150
200
250
300
350
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1
[kJ/kg°C]
[°C] T
s
3
4
1
1'
2s
3s
2'
0
50
100
150
200
250
300
350
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1
[kJ/kg°C]
[°C] T
s
2
3
4
1
1'
3'
5
2s
3s2'
0
100
200
300
400
500
600
700
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Po
wer
[W]
Uti
lizat
ion
fact
or
[-] -
Effi
cien
cy [
-]
FC power [W]
Uf caseA
Uf caseB
h fc caseA
h fc caseB
Paux caseA
Paux caseB
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Il Laboratorio:
la Tecnologia ORC /m-ORC
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SEMPLICITA’ LAYOUT
Opera secondo ciclo di RANKINE
SORGENTI di calore esterne
Impiego di FLUIDI ORGANICI
«secchi» derivanti da idrocarburi ma
inerti; esistono anche varianti ad acqua
Limitate sollecitazioni termiche,
rispetto a grandi centrali: temp. max
vapore 250°C, modesti salti entalpici,
turbine a pochi stadi e velocità ridotte
PRESTAZIONI elettriche limitate, ma
possibile assetto CHP
TAGLIE piccole: 100-2000 kW,
m-ORC: ~ 1-10 kW
Caratteristiche generali ORC (Organic Rankine Cycle)
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
11
11
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ORC: tipologie di
sorgenti calde e applicazioni
Combustione esterna
(biomasse)
Recupero da cascami o motori
Ciclo
termodinamico
ORC
Caldaia a
Combustione
Esterna
Motore primo
Energia utile
meccanica/elettrica
Energia utile termica
a bassa temperatura
fumi
Solare
12
12
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ORC: 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
13
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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
ctric
Eff
icie
ncy
Electric Power Output [kW]
GE (USA)
GT2014-26914
ASME Turbo Expo 2014
Il Laboratorio:
focus su m-ORC nel range di taglia 1-100 kW
Il rendimento elettrico
Unità commerciali o in via di sviluppo: prestazioni attese
• Diversi piccoli prototipi
• Rendimenti attesi: 5-13%
• Temperature interne vap. limitate
• Fluidi frigoriferi o HC per
applicazioni a temperature medio
bassa e poco costosi, (es. R134a)
• Accoppiamento diretto possibile
con caldaie (TH2O 70-120°C)
• Espansori prevalentemente
volumetrici o turbine radiali
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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
ctric
Eff
icie
ncy
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 installazione
Il rendimento elettrico
Recuperator
Condensers
Expander
Evaporator
Fluid
tank
Generator
Pump
By-pass
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Il Laboratorio:
implementazione della strumentazione
FILTRO
ELETTROVALVOLA 1
ELETTROVALVOLA 2
ELETTROVALVOLA 3
V-7
POMPA
CIRCOLAZIONE
VM VM
VM
VM VM
P/T
T
P
P/T P/T
P/TP/T
P/T
P/T
T
T
CONDENSATORE
AD ACQUA
TANK
VM
RECUPERATORE
EVAPORATORE
T
P
ESPANSORE
Presa di pressione 1
Presa di temperatura 2
Presa di
temperatura 4
Presa di
pressione 3
Presa di
temperatura 5
Presa di
temperatura 6
CONDENSATORE
AD ARIA
VALVOLA
ROTALOCK
P/T
VM
VM
FLUSSOMETRO
VALVOLA ROTALOCK
Con spillamenti a monte e valle
della pompa
P/T
P/T
P/T
P/T
P/T
+ real-time microcontroller (programmable FPGA in NI cRIO®)
•Processor 400 MHz
• RS232 output gate
• Ethernet gate 10/100 baseT
•Temperature
PT100/A/4
•Portata
Coriolis mass flow PROMASS 80 E DN25 /1"
•Pressioni
press.trasducer
•Correnti assorbite
LEM current transducers
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ASME Turbo Expo 2014
Parameters
Operating fluid R134a
Inlet temperature at evaporator 90/95°C
Turbine inlet temperature [°C] 80/90°C
Turbine inlet pressure [bar]
Expander efficiency
29
75/80%
Cooling water inlet temperature [°C] 10/20
Condensation temperature [°C] >30
Pump efficiency 85%
Thermal dissipations at evaporator 1%
Mechanical efficiency 99%
Evaporator pressure drop 2%
Electric converter efficiency 95%
Thermodynamic simulation of full/partload with commercial tool (ThermoflexTM), with
RefpropTM fluid data (R134a) Data of manufacturer + site + assumptions
Il Laboratorio:
sviluppo di modelli numerici
per le prestazioni
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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
lect
ric e
ffic
ien
cy [
-]
MR
C t
herm
al
eff
icie
ncy [
-]
Thermal efficiency
Electric efficiency
Pel/Pel,des
Thot
=95°C his=75%
Tcoold
=10°C hboil
=90%
Conversion efficiency
Il Laboratorio:
prestazioni attese
al variare delle condizioni operative
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Il Laboratorio:
studi termodinamici parametrici
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Studi sperimentali
ORC thermodynamic model
ORC Fluid Mw [kg/mol] pv [bar] Tv [0C] Tk [0C]
Benzene 78 37.61 267.01 35
Toluene 92 34.81 304.64 35
Butane 58 34.31 145.85 35
MDM 236 12.00 279.54 36
MD2M 311 6.829 290.00 69
MD3M 385 8.964 347.94 97
R245fa 134 22.61 128.05 35
Investigated organic fluids
TF3
100
200
300
400
500
600
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
R2
R1'
R1
T
pk
R3 R4
pv
TF2
TO2
entropy
Tem
per
atu
re
[°C
]
ORC fluid
TO1
Oil
Hot Gas
1200
1300
heat
ORC: T-s-q diagram of HX & TS
(Benzene)
Recuperated, subcritical, saturated steam ORC
In home developed software based on
FluidPropTM + ThermoflexTM
ORGANIC FLUIDTHERMODYNAMIC
INPUT & CONSTRAINTS
THERMODINAMIC ANALYSIS & DESIGN OPTIMIZATION (evap. T & pinch)
ORC CYCLE LAYOUT
ORC key sections
thermodynamic
data
ORC
performance
indexes
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Il Laboratorio:
realizzazione banco prova
per un sistema integrato
m-ORC + rinnovabili
20
CONDENSATORE
EVAPORATORE
ORC
T
T
SERBATOIO
FREDDO
300 litri
Pompa
autoadescante
POZZO/
CISTERNA
Valvola sicurezza
CALDAIA A BIOMASSA
46 kW
T
T
T
T4 RESISTENZE
OGNUNA DA
8 kW
CONTA
CALORIE
m-ORC
Caldaia
Serbatoio
(sorg. fredda)
Puffer
caldo
Quadro
elettrico
Unità di acquisizione
Circuiti, pompaggi,
strumentaz.
Emulatore
sorgenti
termiche
(solare)
Carichi
elettrici
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Esempio di Sistema micro-CHP
per l’applicazione in ambito residenziale
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La MicroCogenerazione e
l’Accumulo di energia nelle «Smart Grids»
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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 un prototipo m-ORC (3kW)
• 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 su casi specifici delle tecnologie m-CHP e
l’applicazione a casi di utenze reali civili/industriali richiede un
attento dimensionamento tecnico-economico
• La «Visione» finale è quella di un sistema energetico integrato su
piccola e larga scala di tipo «Smart»
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