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Il Laboratorio di Tecnologie per la

Microcogenerazione

Ing. Andrea De Pascale

Università di Bologna - DIN

www.ravenna2015.it

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

www.ravenna2015.it

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

www.ravenna2015.it

Il panorama europeo

6

(Fonte: Rse, 2013)

www.ravenna2015.it

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

www.ravenna2015.it

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

8

www.ravenna2015.it

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

www.ravenna2015.it

Il Laboratorio:

la Tecnologia ORC /m-ORC

10

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

www.ravenna2015.it

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

www.ravenna2015.it

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

www.ravenna2015.it

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

www.ravenna2015.it

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

www.ravenna2015.it

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

www.ravenna2015.it

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

www.ravenna2015.it GT2014-26914

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

www.ravenna2015.it GT2014-26914

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

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

www.ravenna2015.it

Il Laboratorio:

studi termodinamici parametrici

19

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

www.ravenna2015.it

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

www.ravenna2015.it

Esempio di Sistema micro-CHP

per l’applicazione in ambito residenziale

21

www.ravenna2015.it

La MicroCogenerazione e

l’Accumulo di energia nelle «Smart Grids»

22

www.ravenna2015.it

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»

23