TERZA CONFERENZA ANNUALE FIRE

Marco Baresi, Institutional Relations Manager Turboden

Roma - 10-11 Aprile 2014

I CERTIFICATI BIANCHI A SOSTEGNO

DEI RECUPERI TERMICI DA PROCESSO INDUSTRIALE

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Valorizzazione del

calore residuato da

processo

industriale oggi

disperso in

atmosfera

Recuperi termici da processo industriale

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generatore processo,

utenze

termiche

civili e

industriali

scambiatore

recupero

calore

processo

industriale

calore

residuo gas, liquidi,

vapori

energia termica

energia elettrica

riduzione dei consumi

energia termica

a bassa

temperatura

ORC Organic

Rankine Cycle

Recuperi termici da processo industriale con

tecnologia ORC

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What is the ORC?

Cycle it is a thermodynamic cycle

Rankine it is theoretically given by 2

isobar and 2 adiabatic

thermodynamic transformations

Organic it exploits an organic working

fluid

The principle is based on a turbo-generator working as a

normal steam turbine to transform thermal energy into

mechanical energy and finally into electric energy through an

electric generator. Instead of the water steam, the ORC system

vaporizes an organic fluid, characterized by a molecular

mass higher than water, which leads to a slower rotation of

the turbine and lower pressure and erosion of the metallic

parts and blades

Efficiency: 98% of incoming thermal power is transformed, into

electric power (around 20%) and heat (78%), with extremely

limited thermal leaks, only 2 % due to thermal isolation, radiance

and losses in the generator; the electric efficiency obtained in

non-cogeneration cases is much higher (more than 24% of the

thermal input)

CONDENSER

FEED PUMP

EVAPORATOR

EXPANDER

Water / Steam

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mp

era

ture

Entropy

Te

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ture

Entropy

Organic fluid

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ORC vs. tradizionali cicli a vapore

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Features

Alta efficienza della turbina (~ 85%)

Basso numero di stadi

Basso stress meccanico della turbina (bassa velocità periferica, temperatura moderata)

Assenza erosione pale (no liquido) e ridotta corrosione di scambiatori e piping

Piccolo salto entalpico + Elevata portata volumetrica

Bassi giri al minuto della turbina

Accoppiamento diretto al generatore elettrico (1500/1800/3000/3600 RPM)

Vantaggi operativi

Start-stop semplificato

Automatizzato, operatore non richiesto

Bassa rumorosità

Alta disponibilità

Buoni rendimenti a carico parziale

O&M minimi

Lunga vita

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unità standard da 200 kWe a 10 MWe

soluzioni personalizzate > 10 MWe

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elettricità

calore

Biomassa

Recupero

Calore

Geotermia

Solare

Termodinamico

Turboden progetta e sviluppa turbogeneratori basati sulla tecnologia ORC

(Organic Rankine Cycle) per la produzione di energia elettrica e termica partendo

da varie fonti rinnovabili e dal calore di scarto, particolarmente indicati per la

generazione distribuita.

Le applicazioni ORC

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Applicazione taglia impianti In costruzione Totale

MW no. MW no. MW no. MW

Biomassa legnosa 0.3 - 6.5 201 214 40 68 241 282

Geotermia 1.0 - 6.0 6 19 2 9 8 28

Recupero da motori 0.5 - 4.5 11 12 1 1 12 13

Recupero Oil&Gas 1.0 - 3.0 1 1 2 5 3 6

Recupero Cemento e Refrattari 1.0 - 7.0 4 12 0 0 4 12

Recuperi Metallurgia 0.7 - 2.7 2 3 1 2 3 5

Recupero Vetro 0.5 - 2.0 1 1 0 0 1 1

Recupero trattamento rifiuti 0.5 - 6.0 4 10 2 8 6 18

Totale impianti Turboden 230 272 48 93 278 365

Paese plants Country plants

Germania 82 Nord America 6

Italia 74 Russia 7

Austria 32 Turchia 3

Altri in Europe 68 Resto del mondo 7

Impianti Turboden nel mondo

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Efficienza nell’industria con i recuperi termici

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TEE: strumento

per l’industria

Delibera AEEG

EEN 9/11 28 Ottobre 2011

Progetti a consuntivo

«Utilizzo di calore di recupero per la

generazione di energia elettrica»

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Fonte Benefici attesi da recuperi termici con tecnologia ORC

Novembre 2012

AGICI - Osservatorio Internazionale

per le Rinnovabili

Giugno 2013

• Strumento di politica industriale per il rilancio dell’industria

italiana

Smart Energy Project

Ottobre 2013

• Beneficio sistema paese 1,7 Miliardi € in 17 anni con il 50% di

penetrazione sul potenziale

• Primato tecnologico italiano

Un’opportunità per il rilancio dell’industria –

gli studi italiani

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Fonte Benefici attesi

HREII e HREII Demo (Italia)

2010 - 2014

H-REII

• quantificare il potenziale di recupero calore

nelle industrie energivore italiane

• promuovere policy di efficienza energetica

in Italia e diffondere best practice

H-REII DEMO

• estendere il modello ad altri Paesi UE ( … Francia e Regno

Unito !)

• realizzazione il primo dimostratore di recupero calore da

forno elettrico siderurgico (EAF) con ORC da 3 MWe

ADEME (Francia)

Novembre 2012

Il meccanismo Italiano di incentivazione dei recuperi termici

rappresenta una eccellenza mondiale

In Francia in fase di definizione policy dedicate

ECOFIS (Regno Unito)

Marzo 2014

Il potenziale economicamente recuperabile dall’industria inglese

ammonta a

oltre 7 TWh/anno

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Un’opportunità per il rilancio dell’industria –

gli studi europei

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… in Italia ?

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DeNOx, DeSOx, ESP

Torre di

Quenching

Camino

Ventilatore

Scambiatore di calore per

sistema di recupero ORC in

serie alla torre di Quenching

Il caso studio in vetreria

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• Sorgente: olio diatermico

per raffreddamento del

cubilotto

• Potenza in ingresso

ORC da olio diatermico:

Circa 3,1 MW

• Temperatura Olio: 232

C

• Potenza termica

all’acqua di

raffreddamento: 2,6 MW

• Potenza ORC netta:

400kWe

Andamento portata della sorgente di calore [m3/h]

Il caso studio in fonderia

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Recuperi termici: la supply chain

Materials Components Project End Users

Primary Heat Exchanger

(steam, thermal oil, molten salts)

Steel

Iron

Aluminum

Copper

Cement

Glass

Plastic

Wood

ORC systems, Steam turbines

Generators

Condenser

Evaporative Systems

Electrical components

Finance

Consulting

Engineering and plants

Project Management

Industry

Employment

Research & Development

Emissions reduction

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recupero calore opportunità di politica industriale

efficienza energetica

competitività delle imprese altamente energivore

sostenibilità economica e ambientale

innovazione

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Conclusioni

J.M. Barroso to the European Council , 20-21 Marzo 2014

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… ma sono necessarie azioni di indirizzo e supporto

policy & quadro regolatorio

… è corretto che l’industria paghi gli oneri di sistema sull’energia acquistata per il

processo e li paghi anche su quella generata dai fumi di scarto per autoconsumo ?

… i TEE devono rappresentare una leva per investimenti strutturali in efficienza

energetica nell’industria Italiana

finanza dedicata per efficienza energetica

… fondo investimenti + garanzie per industrie altamente energivore (mid caps e

grandi imprese)

formazione disseminazione best practice

16

Conclusioni

Grazie per l’attenzione!

Marco Baresi, Institutional Relations Manager Turboden

Back up slides

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• Prof. Mario Gaia matura

esperienza nel campo degli ORC

all’interno del suo gruppo di

ricerca presso il Politecnico di

Milano

• 1976 – primo prototipo di ORC

per solare termodinamico

’60-’70 1980-1999 2000-2009 2009-2013 2014…

• 1980 – Prof. Mario Gaia fonda

Turboden per produrre e realizzare

turbogeneratori ORC

• Turboden sviluppa progetti di ricerca

nelle applicazioni solare, geotermia e

recupero di calore

• 1998 – Primo impianto ORC a

biomassa in Svizzera (300 kW)

• Turboden installa impianti ORC a

biomassa, soprattutto in Austria,

Germania e Italia

• Turboden progetta di entrare in nuovi

mercati, con un focus sul Nord America

• Prime applicazioni di recupero calore

• 2009 – Turboden raggiunge i 100

impianti venduti

• United Technologies Corp. (UTC)

acquisisce la maggioranza delle quote di

Turboden. PW Power Systems supporta

Turboden in nuovi mercati fuori dall’Europa

• UTC esce dal mercato dell’energia,

sottoscrivendo un’alleanza strategica con

Mitsubishi Heavy Industries

• PW Power Systems diventa una società

del Gruppo MHI

• MHI acquisisce la

maggioranza di Turboden. Gli

azionisti italiani rimangono alla

guida dall’azienda

• Oggi – Più di 250 impianti

ORC nel mondo, 200 in marcia

Oltre 30 anni di esperienza

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20

Oltre 30 anni di esperienza

1984 – Turbogeneratore

ORC 40 kWel per

applicazione solare a Perth,

Australia

1987 – Turbogeneratore

ORC a biomassa da 3 kWel,

Milano

2008 – Turbogeneratore

ORC per recupero calore da

3 MW, Belgio

1988 – Impianto geotermico

ORC da 200 kWel in

Zambia

2009 – Primi 100 impianti

e 100MWel installati

2010 – Primo impianto

oltreoceano

2013 – Oltre 250 impianti

ORC nel mondo

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Principio termodinamico: il Ciclo ORC

Il turbogeneratore utilizza l’olio diatermico ad alta temperatura per preriscaldare e vaporizzare un

adatto fluido organico di lavoro nell’evaporatore (8 3 4). Il vapore organico espande nella turbina

(4 5), che è direttamente collegata al generatore elettrico attraverso un giunto elastico. Il vapore

passa attraverso il rigeneratore (5 9) e in questo modo preriscalda il fluido organico (2 8). Il vapore

viene poi condensato nel condensatore (raffreddato dall’ acqua di raffreddamento) (9 6 1). Il liquido

organico viene infine pompato (1 2) nel rigeneratore e da qui nell’evaporatore, completando così la

sequenza di operazioni nel circuito chiuso.

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TE

MP

ER

AT

UR

A

ENTROPIA

OLIO

DIATERMICO

EVAPORATORE

TURBINA

GENERATORE

POTENZA ELETTRICA

RIGENERATORE

ACQUA

CONDENSATORE

POMPA

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Cimar - Italcementi Group

Site: CIMAR – ITALCEMENTI GROUP (Morocco)

Clinker production capacity: ≈ 5.000 ton/day

Heat source: PH exhaust gas at 330°C

Cooling: water condenser + air-coolers No water consumption

ORC electric power: 2 MWe

In operation since 4th quarter 2010

Working hours: 16.000 h

Availability: >98%

The plant is being hybridized with CSP (Concentrated Solar Power) taking

advantage of the ORC extra capacity

AGC Glass Europe

Site: Cuneo - Italy

Client: GEA Process Eng

Final Client: AGC Glass Europe

Started up: March 2012

Heat source: gas @ 500°C from glass production process

Heat carrier: thermal oil

Cooling: water condenser + air-coolers

Electric power: 1.3 MWel

Realizzazioni Turboden settore cemento

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Holcim Slovakia– Holcim Group

Site: Rohoznik (Slovakia)

Client: Holcim Slovensko A.S.

Started up: February 2014

Heat Source: exhaust gas from PH and CC

Heat carrier: thermal oil

Cooling: water condenser + wet cooling tower

Electric power: 5 MWe

Holcim Romania – Holcim Group

Client: Holcim Romania - Alesd

Clinker production capacity: ≈ 4000 ton/day

Heat source: exhaust gas @ 360°C (PH) and hot air @ 250 °C (CC)

Thermal oil (PH) and pressurized water (CC) heat recovery loops

Cooling: water condenser + wet cooling tower

ORC electric power: ~ 4 MWe

Started up: July 2012 (8000 working hours)

Availability: >98%

(PH): preheating system, (CC): clinker cooler

Realizzazioni Turboden settore cemento

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Refractories – RHI Group Austria

Site: Radenthein - Austria

Client: RHI GROUP

Refractory production capacity: ≈ 250 ton/day

Heat source: refractory ovens exhaust gas @ 500 °C

Gas cooled down to ca. 150 °C

ORC electric power: ca. 1 MWe

In operation since 1st quarter 2009

Aluminum– Undisclosed customer

Site: Germany

Client: not disclosed

Heat source: exhaust gas from scrap melting rotary furnace

Heat transfer: thermal oil

ORC electric power: 1.7 MWe

Expected start up: 4th quarter 2014

Realizzazioni Turboden: refrattari e alluminio

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Billet reheating furnace at steel rolling mill

Client: NatSteel – Tata Group

Site: Singapore

Started up: February 2013

Heat source: exhaust gas from LFO combustion. @ 400°C

Direct exchange between exhaust gas and working fluid

ORC electric power: ~ 0.7 MW

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4th Direct exchange ORC unit in operation

Realizzazioni Turboden:

scambio diretto da laminatoio acciaio

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Gas Compressor Station – Polympex

Heat recovery from Solar TITAN 130 gas turbine in a Gas

Turbine Power Plant (GTPP) in Russia (Moscow region)

Gas Turbine prime power:: 25 MWe

Gas Turbine efficiency: 30%

ORC electric power: 3 MWe Direct exchange cogenerative solution

ORC thermal power 15 MWth of hot water at 90

C

General Contractor: Energo development LCC

Final Client: Polympex

Expected start up: 4th quarter 2014

Gas Compressor Station – Trans Gas

Heat recovery from Solar CENTAUR gas turbine in a

Gas Compressor station in Canada

Gas Turbine prime power: 3.5 MWe

Gas Turbine efficiency: 28%

ORC electric power: 1 MWe

General Contractor: IST (Innovative Steam Technologies)

Final Client: TransGas

In operation since IV quarter 2011

Realizzazioni Turboden: turbine a gas

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Waste Gasifier – ITC Turkey

Heat recovery from exhaust gas from the waste gasifier

Plant site: Ankara (Turkey)

Heat carrier: thermal oil

Application: power only

ORC electric power: 5.5 MWe

ORC efficiency: up to 25%

Final Client: ITC-KA Enrji Uretim Sanavi Ve Ticaret A.S.

In operation since 1st quarter 2014

Another 5.5 MWe ORC unit to be installed: expected start up: 2nd quarter 2015

Waste To Energy – Mirom, Belgium

Heat recovery from pressurized water boiler in waste incinerator

Customer: MIROM (Roeselare - Belgium)

Source: hot water at 180

C (back at 140

C)

Cooling source: air coolers

ORC electric power: 3 MWe

Net electrical efficiency: 16.5%

Availability: >98%

In operation since 2nd quarter 2008

Realizzazioni Turboden: trattamento rifiuti