< Previous20 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 20 Seguono alcuni case history relativi a impianti di cogenerazione. 6.1 Teleriscaldamento a biomassa da filiera corta: calore rinnovabile nel cuore delle Dolomiti l 142.370 mila kg CO 2 sono stati risparmiati con l’utilizzo di biomasse dal 1994 l 46.060 mila € risparmiati dai cittadini di San Candido e di Dobbiaco uti- lizzando il cippato al posto del gasolio dal 1995 l 59.451 mila kWh di energia termica venduta 2019 l 5.677 mila kWh di energia elettrica venduta 2019 Realizzato per Fernheizkraftwerk Toblach-Innichen, l’impianto da 1.5 MWe situato a Dobbiaco (BZ), è un impianto a biomassa con rete di teleriscalda- 76. I possibili usi della cogenerazione21 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 21 6. I possibili usi della cogenerazione mento in funzione da dicembre 2003. Primo ORC a biomassa installato in Alto Adige, dal 2005 è aperto ai visitatori che possono accedere anche al Museo della Biomassa di Dobbiaco. Partendo da un’attenta analisi della domanda di calore locale, il team ingegneristico di Turboden ha progettato una soluzione impiantistica ORC, dove l’energia termica prodotta dalla combustione della biomassa in caldaia viene sfruttata per generare elettricità. Il calore esausto rilasciato dopo il pro- cesso alimenta il teleriscaldamento a servizio delle due comunità di Dobbiaco e Innichen / San Candido. La filiera di Dobbiaco copre tutta la Val Pusteria, garantendo l’approvvi- gionamento di materiale legnoso da abete e larice in un raggio inferiore ai 70 km. La filiera, in equilibrio e sostenibile, ha un doppio beneficio: a valle genera energia rinnovabile e a monte i boschi vengono mantenuti puliti. Dopo la tempesta Vaia dell’ottobre 2018, l’impianto ha trattato il surplus di legname reso disponibile dalla calamità, evitando così che marcisse, portan- do alla formazione di batteri e microrganismi patogeni che possono prolifera- re, arrivando a colpire anche gli alberi che la tempesta non ha danneggiato. 6.2 Impianto cogenerativo a servizio della comunità locale: energia verde nella terra degli ulivi l 12 mila tonn/anno di biotriturato di legno vergine dalle potature degli alberi come input in ingresso l 7.500 MWh di energia elettrica prodotta su base annua l 30 addetti impiegati nell’indotto l 4.500 tonnellate/anno di CO 2 evitate Situato nella zona P.I.P. di Calimera, l’impianto di FIUSIS SRL è in funzione da dicembre 2010. Si tratta di un impianto di tipo cogenerativo, di potenza pari a 1 MWe che produce calore ed energia utilizzando cippato di legno ver-22 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 22 gine proveniente dalla potatura degli alberi di ulivo salentini, contribuendo così in maniera significativa alla riduzione di incendi a campo aperto. Il proget- to ha ottenuto il parere favorevole oltre che dal Comune di Calimera anche da Arpa Puglia, Provincia di Lecce, Asl SISP e SPESAL, Vigili del Fuoco e Ministero dello Sviluppo Economico. L’impianto in oggetto si basa su soluzioni tecnologiche d’avanguardia. Consta essenzialmente di una caldaia a griglia mobile, in cui tramite un nastro trasportatore, viene conferito il cippato (legno vergine di ulivo proveniente dagli scarti di potatura, raccolto e triturato). Successivamente il calore viene veicolato attraverso un fluido che arriva ad azionare la turbina che produce energia elettrica. La struttura e la composizione della caldaia non sono ido- nee a bruciare alcun tipo di materia prima che non sia biomassa legnosa. Le ceneri prodotte, a seguito della combustione, sono raccolte automaticamente sotto la caldaia e sotto i filtri dei fumi per essere destinate alla produzione di biocemento. È attualmente allo studio un progetto per produrre ammendanti e fertilizzanti agricoli con le ceneri di combustione, in un’ottica completa di economia circolare. La produzione di energia elettrica, di circa 7.500 MWh all’anno, viene con- ferita direttamente in rete e alimenta la vicina città di Calimera, prima città nel Salento e una delle prime in Italia meridionale a essere alimentata da energia verde e rinnovabile. Il calore coprodotto viene utilizzato per essiccare il cippa- to di legno vergine a Km 0 per stufe domestiche di Fiusis EcoPellet. I fumi, prima di essere espulsi dal camino, vengono convogliati in un si- stema di filtrazione costituito da 30 filtri del multiciclone e ben 702 filtri in maglia di acciaio inossidabile del filtro a manica. Le emissioni sono di molto inferiori al limite stabilito dalla normativa italiana in vigore, specificati nel D.L- gs. 152/2006, parte V, allegato I ed allegato IX. Nei fumi prodotti non sono presenti inquinanti pericolosi in quanto l’unica materia prima utilizzata, per cui l’impianto nasce ed è stato autorizzato, è il legno vergine che, per la sua com- posizione chimica, non può in alcun modo produrne. L’impianto costituisce un volano importante per lo sviluppo economico della zona, mentre i cittadini di Calimera possono usufruire gratuitamente del- la raccolta dei residui di potatura degli ulivi. L’impianto di Fiusis è stato citato già nel 2011 tra le buone pratiche da seguire nell’ambito del rapporto Legambiente Comuni riciclabili 2011. Nel 2019 è stato premiato a Bruxelles dal Comitato Economico e So- ciale europeo, organo consultivo della Commissione Europea, come il “Mi- glior Modello di Sviluppo Innovativo Green, Sostenibile e Sociale nei Ter- ritori”.23 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 23 6. I possibili usi della cogenerazione Nel 2020 Turboden è stata protagonista del video realizzato da Mitsubishi Heavy Industries sulla filosofia giapponese Sampo Yoshi, dove Fiusis rappre- senta un esempio virtuoso e rispettoso dell’ambiente 1 . 6.3 Impianto trigenerativo a servizio della filiera alimentare italiana: efficienza energetica dall’orto alla tavola l 7.800 MWh/anno di energia elettrica prodotta l 7.400 MWh/anno di energia termica prodotta l 2.100 MWh/anno di energia frigorifera prodotta l 2.080 tonnellate/anno di CO 2 evitate Realizzato per la Società consortile agricola O.R.T.O. Verde a Senigallia (AN), l’impianto di trigenerazione da 1,2 MWe è attivo da giugno 2020. Lo sta- bilimento marchigiano lavora ortaggi di produttori agricoli locali per generare annualmente fino a 50 mila tonnellate di verdure surgelate. Il processo produt- tivo richiede acqua calda e vapore in fase di cottura delle verdure ma anche energia elettrica e acqua gelida per la surgelazione e il packaging. Il processo estremamente energivoro ha spinto O.R.T.O. Verde a cercare una soluzione efficace per aumentare la propria efficienza energetica. Partendo dalle esigenze del cliente e del processo produttivo, il team di CGT ha realizzato una soluzione cogenerativa da 1,2 MWe che, oltre a produr- re acqua calda, vapore ed elettricità, consente di recuperare parte dell’acqua calda prodotta per ottenere, per mezzo di un gruppo frigorifero ad assorbi- mento ad acqua-ammoniaca, acqua gelida a -10 °C, utile a climatizzare le sale per il confezionamento. L’impianto soddisfa il 63% del fabbisogno elettrico e il 61 % del fabbisogno termico, con rendimenti totali dell’ordine del 87 %. A ciò si aggiungono i benefici ambientali ed economici, in quanto la produzione combinata di energia elettrica e termica mediante cogeneratore consente un risparmio del 26 % dell’energia primaria necessaria in caso di generazione separata, con un notevole margine economico. L’impianto è monitorato dal servizio Energy Report che consente di verifi- care, da remoto, la produttività e la redditività dell’impianto di cogenerazione, attraverso una reportistica facile e intuitiva. 1 https://youtu.be/LTRFtDci5Qk - Sanpo Yoshi Shows How Business Can Work For Everyone24 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 24 L’azienda O.R.T.O. Verde opera in un settore molto competitivo, quindi l’attenzione ai costi di produzione è sempre massima. L’efficienza energetica consente di dare slancio alla forza innovativa e imprenditoriale di una filiera locale unica e organizzata, gestita direttamente dai produttori locali che garan- tisce una produzione a basso impatto ambientale e di alto livello qualitativo.25 7COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI U n sistema di recupero di calore è composto essenzialmente da uno scambiatore primario che consente il trasferimento del calore dai gas esausti a un vettore termico (tipicamente olio diatermico o acqua pressurizzata), il modulo ORC stesso ed un sistema per la dissipazione del calore di condensazione scaricato dal turbogeneratore ORC. L’olio diatermico caldo, proveniente dallo scambiatore di recupero, alimenta il turbogeneratore ORC che converte l’energia termica entrante in energia elettrica e calore a un basso livello di temperatura. Il calore scaricato dal ciclo di potenza in fase di con- densazione viene ceduto all’ambiente per mezzo di un circuito intermedio ad acqua (o miscela di acqua e glicole, per evitarne il congelamento nei periodi invernali). La dissipazione di questo calore può avvenire per mezzo di un siste- ma dedicato. Questo può essere un sistema a secco, con air coolers (radiatori) o a umido con torri evaporative o addirittura sfruttando l’eventuale capacità disponibile nell’impianto di raffreddamento acqua esistente a servizio dello stabilimento. 7. Recupero di calore con tecnologia ORC (Organic Rankine Cycle)26 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 26 I l turbogeneratore sfrutta l’input termico a temperatura calda per preriscal- dare e vaporizzare il fluido organico di lavoro nell’evaporatore (8 ➞ 3 ➞ 4). Il vapore del fluido organico alimenta la turbina (4 ➞ 5), che è direttamente accoppiata al generatore elettrico attraverso un giunto elastico. Il vapore di scarico passa attraverso il rigeneratore (5 ➞ 9) dove riscalda il liquido organico (2 ➞ 8). Il vapore viene poi condensato nel condensatore (raf- freddato dal flusso d’acqua) (9 ➞ 6 ➞ 1). Il liquido organico fluido viene infine pompato (1 ➞ 2) nel rigeneratore e poi nell’evaporatore, completando così la sequenza delle operazioni nel circuito chiuso. In Figura 2 schema di un ciclo Rankine organico. 7Figura 2 - Schema tipico di un ORC 8. Recupero di calore nei processi industriali e nelle Gas Compression Station27 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 27 8. Recupero di calore nei processi industriali e nelle Gas Compression Station 8.1 Diagramma di flusso del recupero calore Il calore recuperato da un processo industriale può essere utilizzato in diversi modi, così come mostra il diagramma di flusso energetico in Figura 3. Dell’energia primaria utilizzata (Primary Energy Consumption) dal processo industriale solo una parte di questa viene effettivamente sfruttata. Per ottimiz- zare ulteriormente il processo, bisogna considerare il potenziale di recupero del calore residuo (Waste Heat Recovery Potential) e in particolare al calore residuo evitabile (Avoidable Waste Heat). Secondariamente, per migliorare l’efficacia tecnico-economica del processo energetico, si riutilizza il calore di scarto in loco (On Site Reusable Waste Heat), mediante scambiatori di calo- re, pompe di calore, accumulatori di calore e/o sistemi di raffreddamento ad assorbimento. Infine, l’ultima fase di ottimizzazione energetica consiste nel ri- utilizzo del calore di scarto esternamente al sito industriale (Off Site Reusable Waste Heat), in reti di riscaldamento e di raffreddamento oppure può essere convertito in elettricità (Waste Heat to Power - WHTP). La maggior parte dei processi industriali sono già ottimizzati e il modo migliore per valorizzare l’energia termica è quella di convertirla in elettricità. Negli ultimi anni, molti studi sono stati condotti per valutare la migliore tec- nologia con le migliori performance per il Waste Heat to Power: se la fonte di calore presenta temperature 200÷400 °C, l’ORC risulta essere la più efficienti. Figura 3 - Diagramma di flusso energetico per valutare il potenziale di recupero del calore residuo28 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 28 Secondo il progetto TASIO 1 , menzionato come uno dei rilevanti Hori- zon2020 sull’argomento, il potenziale del calore di scarto in settori altamente energetici nell’UE27 può arrivare fino a 11 TWh di elettricità all’anno che corri- sponde a 3,1 milioni di tonnellate di potenziali emissioni di CO 2 evitate. 8.2 Schema tipico di un sistema Waste Heat to Power La Figura 4 mostra un tipico sistema Waste Heat to Power. Diversi processi industriali disperdono calore nell’atmosfera tramite i gas di scarico di combustione o mediante altri flussi caldi. Gli scambiatori di calore sono installati quando sono soddisfatti i requisiti di temperatura della fonte di calore, di portata e di composizione chimica. Nella maggior parte dei casi, la fonte di calore scambia la sua energia con un circuito di trasporto del calore - di solito olio termico, vapore saturo o vapore pressurizzato - per evitare il de- terioramento del fluido di lavoro causato dai picchi di temperatura. Quando la fonte di calore non è corrosiva ed il processo non ha picchi di temperatura che superano quella del fluido di lavoro, è possibile costruire uno scambiatore di calore tra la fonte di calore e il fluido di lavoro. Questa soluzione è solitamente chiamata scambio diretto. 1 https://cordis.europa.eu/project/id/637189/it Figura 4 - Tipico sistema Waste Heat to Power.29 COGENERAZIONE E RECUPERI TERMICI 29 8. Recupero di calore nei processi industriali e nelle Gas Compression Station 8.2.1 Industria del cemento Mediamente la produzione di cemento richiede da 90 a 150 kWh di ener- gia elettrica e da 800 a 1800 kWh 2 di energia termica per tonnellata di clinker prodotto. In questo settore,il calore di processo è, di norma, riutilizzato alme- no in parte nell’ambito del processo stesso. Infatti, i fumi in uscita dal forno (alla temperatura di circa 1.200 °C) sono generalmente utilizzati per essiccare e preriscaldare il crudo in entrata al forno mentre attraversa i cicloni; inoltre, l’aria di raffreddamento del clinker viene in parte utilizzata come aria combu- rente nel forno stesso e in parte inviata al mulino di macinazione delle materie prime. La temperatura alla quale si trovano i gas provenienti dal forno e l’aria di raffreddamento del clinker, alla fine dei riutilizzi di processo, è relativamente bassa (circa 250÷350 °C), ma ancora sfruttabile per la produzione di energia elettrica. Nell’industria della produzione del cemento esistono applicazioni di suc- cesso di recupero calore sia con turbina a vapore, sia con tecnologia ORC. Il progetto H-REII stima che la quantità di energia elettrica producibile in questo settore sia di 210 GWh 3 l’anno, considerando un potenziale nazionale di 23 im- pianti di recupero calore installabili per una potenza producibile di 30 MWel. I primi esempi di recupero del calore residuo per la produzione di energia (Waste Heat to Power) con ORC nell’industria del cemento sono riportati nelle Best Available Technique References (BREF) per l’industria del cemento sia per mezzo della tecnologia ORC che del ciclo a vapore. In Cina, dove i cementi- fici hanno una maggiore capacità produttiva e sono completamente integrati con la centrale a turbina a vapore, esistono molte referenze della tecnologia a vapore e, negli ultimi anni, sono stati avviati molti impianti ORC per recupero calore. Uno schema semplificato di un’unità ORC installata in un cementificio è riportato in Figura 5. Le materie prime sono preriscaldate in cicloni multipli che utilizzano i gas esausti provenienti dal forno rotativo. L’energia termica di questi gas (300÷450 °C) può essere recuperata per mezzo di uno scambiatore di calore (1 nella Figura 5). Dopo la cottura nel forno rotativo a 1.200 °C, il clinker deve essere raffreddato. La seconda fonte di calore è rappresentata dai gas provenienti da questo raffreddamento del clinker (300 °C) che vengono recuperati da un altro scambiatore di calore (2). Di solito gli scambiatori di 2 Fonte: “Reference Document on Best available Techniques in the Cement and Lime Manu- facturing Industries”, European IPPC Bureau, Draft 2, May 2009 - pag. 47 3 Considerando 6.500 h/anno di funzionamento del processo produttivoNext >