2.7 Termodinamica MED
3.1.4 Esempi di impianti poligenerativi con produzione di acqua dissalata in con-
lata in contesti WHR
In seguito all’esaurimento delle riserve di combustibili fossili, le fonti di energia convenzionali stanno diventando sempre meno disponibili. Ciononostante l’energia continua a essere sprecata, special- mente quella sotto forma di calore. È possibile incrementare l’efficienza energetica dei processi industriali attraverso l’utilizzo del calore di scarto (WHR: Waste Heat Recovery) con un conse- guente risparmio di energia primaria. I processi industriali sono responsabili di un consumo del 27% dell’energia globale e stime recenti descrivono un aumento di questo consumo dell’1,9% per l’energia termica e del 2,4% per l’energia elettrica [29] In genere i processi industriali sono assai energivori, alcuni fra questi sono, la produzione del ferro, dell’acciaio, del cemento, l’industria petrolchimica e chimica più in generale, l’industria Oil&Gas, la produzione cartaria e la filiera di trattamento dei rifiuti. I processi industriali appena elencati coprono il 69% dei consumi totali di energia del settore. A titolo di esempio si riporta il dato relativo al Regno Unito, secondo cui nei processi industriali, almeno il 40% dell’energia contenuta nel combustibile viene dispersa nell’am- biente [30].
di sostanze inquinanti e di gas climalteranti. L’efficientamento energetico nell’industria di processo può potenzialmente ridurre le emissioni globale del 44% entro il 2035 [31]. Per massimizzare il recupero dei calori di scarto nei processi di un sito industriale è stato sviluppato il concetto di "total site analysis": si tiene conto della totalità dei surplus e dei residui termici dai differenti processi di un installazione industriale per poi utilizzare il concetto di Pinch Analysis per allocare nella maniera più corretta i flussi di calore in questione. Esistono diverse tecnologie atte a recu- perare l’energia e a convertirla utilmente sotto forma di elettricità, calore (sia heating che cooling) così che l’energia primaria utilizzata risulti lo stesso calore di scarto. Alcuni tecnologie sviluppate appositamente per la generazione di potenza include :
• generatori termoelettrici; • Organic Rankine Cycles (ORC); • cicli Kalina;
• cicli trilaterali;
Nei generatori termoelettrici si ottiene una differenza di potenziale causata da un gradiente ter- mico in un conduttore. Sono disponibili dispositivi commerciali in grado di lavorare fino a 250°C. Sono dispositivi senza pareti mobili, compatti, silenziosi ma caratterizzati da basse efficienze di conversione (generalmente 5-10 %). Un ciclo Kalina si differenzia da un ORC per il fatto che si genera energia elettrica usando una miscela di fluidi con differenti punti di ebollizione, grazie alla quale si ha una maggiore efficienza di recupero della fonte di scarto garantendo in linea teorica un output di potenza superiore del 3% rispetto agli ORC. Tuttavia i cicli Kalina risultano assai più complicati dal punti di vista operativo ed economicamente più dispendiosi.
Un ciclo trilaterale a flash ha la funzione di ottenere potenza meccanica a seguito dell’espansione per flash di acqua bollente pressurizzata; sono tecnologie ancora allo stato di sviluppo e al momento assicurano rendimenti poco soddisfacenti. Al momento la tecnologia ORC è quella più matura e affidabile se paragonata ai cicli Kalina e ai generatori termoelettrici. In ottica WHR assumono una maggiore rilevanza tra le tecnologie per la produzione di freddo le macchine ad assorbimento (Absorption Chillers) e le macchine ad adsorbimento (Adsorption Chillers).
Una macchina ad assorbimento richiede di essere attivata da un input termico per poter produrre un effetto di refrigerazione. Il calore richiesto fornisce l’energia per separare il liquido assorbente da quello refrigerante che verrà poi condensato, laminato attraverso l’apposito orifizio-valvola e poi fatto evaporare producendo l’effetto refrigerante. Queste refrigeratori sono raccomandati qualora fosse disponibile calore di scarto a bassa temperatura e una consistente richiesta di cooling così
da incrementare l’efficienza globale a livello energetico e garantire un mancato esborso a livello economico.
Queste macchine ad assorbimento hanno un enorme potenziale in termini di risparmio di energia primaria in quanto riescono a produrre freddo a partire da un calore di scarto a differenza delle macchine frigorifere a compressione di vapore le quali, necessitando di un input di potenza mec- canica per azionare il compressore, non possono essere alimentate efficientemente da una fonte di energia a bassa temperatura. Al momento i sistemi ad acqua-bromuro di litio sono stati classificati come i sistemi più performanti per un sistema ad assorbimento.
Figura 3.5: Schema dei flussi energetici in un generico sito di processo
Waste Fuel Recovery in raffinerie del petrolio
L’esempio in questione riguarda la descrizione di una soluzione poligenerativa proposta in un articolo scientifico pubblicato sulla rivista Applied Energy appartenente al gruppo Elsevier [32]. Nell’articolo in questione Sharaf e Soliman propongono un’analisi di fattibilità dell’installazione di un gruppo di potenza e di un’unità di dissalazione ibrida (MED-MSF) in ambito di recupero del potenziale energetico dei gas di scarto provenienti dall’industria di raffinazione del greggio petrolifero. È risaputo che la dissalazione termica necessita di un grosso ammontare di energia primaria per dissalare grosse quantità di acqua di mare. Allo stesso tempo è prassi comune nelle raffinerie e nei siti di estrazione del petrolio (sia onshore che offshore) bruciare in torcia (flaring) i gas provenienti dal processo di raffinazione piuttosto che utilizzarli per fini energetici.
Il motivo di tale operazione è imputabile al mancato interesse da parte dei gestori del sito petrolifero nell’installazione di un infrastruttura di recupero e di valorizzazione di questi gas. Il motivo per cui
i gas in questione vengono bruciati piuttosto che essere emessi tal quali in atmosfera è dovuto agli accordi climatici stipulati tra le Nazioni e alle normative vigenti nelle varie zone geografiche: la CO2
prodotta dalla combustione è in media 21 volte meno climalterante dei gas di scarto. Nell’articolo in questione si propone di recuperare il calore sviluppato dalla combustione di questi gas di scarto per alimentare un impianto di dissalazione termica e per creare elettricità. L’impianto preso in esame è la Suez Oil Refinery del quale si ha la seguente composizione dei waste gases:
Composizione volumetrica % H2S 9,85 H2 4,05 Metano 21,17 Etano 17,23 Etilene 1,85 Propano 14,51 Propene 5,65 iso-Butano 1,95 n-Butano 7,11 Butene 3,68 Neo-Pentano 1,83 iso-Pentano 1,86 n-Pentano 2,77 Pentene 2,07 Altri idrocarburi 4,41
L’analisi di questa miscela ne ha definito alcune proprietà energetiche tra cui:
• LHV=45 MJ/kg;
• Cp= 2 kJ/kgK;
• Densità= 1,5 kg/m3;
• AFR=12,5;
Nell’articolo in questione viene stimato un consumo in torcia di 5000 m3/h di waste gases (pari
a 1,39 kg/s). Lo scenario cogenerativo ORC-(MSF-MED) proposto dagli autori si struttura come segue:
Figura 3.6: Il flare della raffineria di Suez
• i Waste Gases vengono indirizzati ad un generatore di vapore nel quali si produce il vapore necessario ad alimentare il brine heater dell’MSF ad una TBT di 120 °C;
• la condensa di processo proveniente dal brine heater viene successivamente flashata in una camera dal quale si separa il vapore che fornisce calore al MED ad una TBT di 70°C;
• i gas combusti generati dalla reazione di ossidazione dei waste gases una volta lasciato il boiler vengono direzionati nel generatore di vapore del ciclo ORC per la generazione di potenza elettrica.
Lo studio mostra come possa essere potenzialmente efficiente valorizzare un sottoprodotto della raffinazione del petrolio, combinando tale valorizzazione con la produzione di beni e commodities. La produzione di acqua potabile (o generalmente, dissalata) accoppiata alla generazione di potenza elettrica ben si pone all’interno di un’architettura di recupero di calore o di recupero di gas di scar- to; questa pratica può risultare virtuosa, soprattutto se prevista come sostitutiva di un processo meramente dissipativo. Resta tuttavia da verificare quali siano le problematiche di gestione e i costi di upgrade del waste gas petrolifero. In particolare si nota come un impianto MSF necessiti di temperature di lavoro del vapore di servizio superiori ai 100 °C per poter produrre acqua in modo competitivo, mentre un impianto MED in genere non prevede TBT superiori a 70°C per raggiungere livelli di competitività paragonabili al MSF, oltre a richiedere un minor numero di sta- di complessivamente, così da renderlo maggiormente predisposto all’integrazione in una struttura
Waste gases firing unit
Portata massica WG, kg/s 1,41
Portata massica aria comburente, kg/s 17,62
Calore sviluppato dai WG, kWth 50750
Consumo specifico di combustibile (SFC), kg/kWh 0,1312
Temperatura uscita gas combusti, °C 333,3
MSF unit
Portata massica vapore generato, kg/s 21,45
Pressione vapore generato, bar 1,056
Temperatura Inlet/Outlet vapore nel Brine Heater, °C 101.1/101.1 Entalpia massica Inlet/Outlet vapore nel Brine Heater, kJ/kg 2677/423,9 Temperatura Inlet/Outlet acqua di mare, °C 95,5/100 Portata massica acqua desalinizzata, kg/s 208 (18000 m3/day)
Portata massica acqua di alimento , kg/s 1210 Portata massica brina rigettata, kg/s 1831 kg/s
Salinità acqua di alimento, ppm 45000
Salinità brina, ppm 70000
Top Brine Temperature, °C 100
Temperatura acqua di mare, °C 27 °C
Temperatura scarico brina, °C 40
Unità flash di separazione del vapore a valle del Brine Heater
Pressione di esercizio del separatore, bar 0,35
Temperatura di Inlet, °C 101,1
Temperatura vapore separato, °C 72,66
Unità MED
Acqua desalinizzata nel MED-PF, kg/s 231,5 (20000 m3/day)
Portata massica vapore di processo, kg/s 20,47 Portata massica acqua di alimento. kg/s 54,01 Acqua di raffreddamento totale, kg/s 1117 kg/s
TBT, °C 70
Tout dal condensatore finale dell’acqua di alimento, °C 36,78
Potenza assorbita dal gruppo di pompaggio, kW 1126
Efficienza delle pompe 75%
Numero effetti 12
Superficie di scambio totale, m2 121082
Superficie di scambio del condensatore finale, m2 4050
cogenerativa o trigenerativa. Nella fattispecie un MED si dimostra in grado di sfruttare efficiente- mente anche le code di quegli apporti termici di scarto a media entalpia (intendendo alta entalpia per temperature superiori ai 200 °C e inferiori ai 300 °C, media entalpia per temperature comprese
ORC
Portata massica fluido organico, kg/s 24,17 Temperatura Inlet/Outlet dei gas combusti, °C 333/141.3 Temperatura inlet fluido organico nel generatore di vapore, °C 101,3 Temperatura outlet fluido organico nel generatore di vapore, °C 293,3 Temperatura di scarico dalla turbina. °C 138,7 °C Potenza utile prodotta, kWelett 4470,64
Potenza scambiata al rigeneratore, kWth 2855
Temperature rigeneratore lato fluido, °C 37,65/101,3 Temperature rigeneratore lato vapore, °C 138,7/57,85 Potenza termica sottratta al condensatore, kWth 10500
Potenza assorbita dalla pompa, kWelett 113,4
Figura 3.7: Schema di impianto ORC-MED alimentato da waste gas proposto da Sharaf e al.[32]
tra 100°C e 200°C e bassa entalpia per temperature inferiori a 100°C).
Nei capitoli successivi sarà affrontato lo studio di sistemi integrati nei quali un dispositivo di dissa- lazione MED viene inserito in serie a dispositivi di produzione di energia elettrica e di energia fredda investigando le criticità e le qualità di tali soluzioni a seconda della configurazione d’impianto in esame.
WHR in piattaforme off-shore
Eveloy Rogers et al. [33] hanno proposto uno schema poligenerativo basato sul recupero dei gas combusti prodotti dalla turbina che alimenta il processo di estrazione in una piattaforma off-shore al largo della costa di Abu Dhabi. Il calore di scarto viene utilizzato per produrre energia elettrica, della quale una parte viene utilizzata per alimentare un dissalatore a osmosi inversa. Gli autori propongono un’analisi economica e termodinamica del sistema. L’idea è quella di recuperare i 37 MWthdi calore disponibile inserendo in bottoming un ORC da 6 MWelstudiando la produzione di
acqua dissalata con RO di diverse taglie. Da questo studio emergono le potenzialità del recupero
del calore di scarto nelle piattaforme petrolifere off-shore. Uno degli sviluppi potrebbe essere la valutazione delle eventuali migliorie legate all’inserimento di un MED per la produzione dell’acqua dissalata. Oltretutto questo genere di impianti possono essere potenzialmente adatti a ospitare logiche poligenerative caratterizzate dall’integrazione da più di due sottosistemi, tenendo conto che sulle piattaforme petrolifere delle fasce climatiche calde sia presente fabbisogno di potenza elettrica, necessità di acqua dissalata e di raffrescamento degli ambienti.
Definizione della sorgente primaria
"Nearly one third of global energy demand and almost 40% of worldwide CO2 emission are attri- buted to industrial activities" (IEA, 2009).
Questa frase sottolinea come per ridurre le emissioni inquinanti e di CO2 sia vitale proseguire il
processo di evoluzione dei processi industriali aumentando la loro efficienza e diminuendo i consumi che ne conseguono.
4.1
WHR nei processi industriali
Un gran numero di processi industriali appartenenti a settori altamente energivori sono fonte di calore di scarto a bassa temperatura che, se opportunamente convertito, questo può tradursi in una risorsa tecnica, economica e ambientale. Se da un lato il recupero per fini termici, ovvero la soluzione impiantistica più semplice, economica e redditizia risulta spesso non perseguibile vista l’assenza di utenze termiche in grado di assorbire con continuità grosse quantità di calore, la con- versione in energia elettrica o una combinazione di queste può rappresentare la via migliore per valorizzare questi cascami termici.
Grazie agli ORC e ad altre tecnologie, il recupero di calore da fumi anche a temperature medio basse (sotto i 300 °C) e in quantità modeste (alcuni megawatt termici) è un obiettivo tecnicamente ed economicamente raggiungibile. In aggiunta, la crescente attenzione per l’ambiente può trasfor- marsi in una spinta ulteriore che potrebbe consentire l’efficientamento di processi industriali e la conseguente riduzione di CO2 prodotta [34]. Tra i settori industriali di interesse vi è la produzione
del cemento, caratterizzato da una notevole disponibilità di calore di scarto a medio/bassa tempe- ratura che malgrado le soluzioni impiantistiche ottimizzate, non può essere utilizzato in toto. Le
fonti di calore disponibili sono generalmente due:
• gas combusti del forno (a valle del preriscaldamento delle materie prime), con temperature nell’ordine dei 250 - 400 °C;
• aria di raffreddamento del clinker, temperature fino a 300 °C;
La produzione di materiali ferrosi (siderurgia) rappresenta buone possibilità di intervento in ter- mini di recupero termico in quanto si può ottenere energia termica con uno scambiatore di calore recuperando calore da:
• fumi di processo con basso tenore di polveri, frutto della combustione di gas naturale in forni o trattamenti termici, disponibili a temperature medio/basse (300-400 °C);
• fumi di accieria/fonderia con alto tenore di polveri, originati dalla fusione del metallo, disponibili a temperature medio/alte.
La stima dei consumi di energia per singola tonnellata di leghe ferrose prodotte o lavorate è di 1,25 MWh termici e 0,25 MWh elettrici [35].
L’industria del vetro è un’altra candidata all’applicazione dei sistemi a recupero termico. Gene- ralmente si hanno disponibili gas ad alte temperature (400 - 600 °C), provenienti dalla fusione del vetro. Si stima che per produrre una tonnellata di vetro si consumino 1,5 MWh termici [36]. Della totale energia fornita circa il 20% è la frazione che viene persa nei gas di scarico.
Altri settori industriali degni di nota sono la produzione di materiali non-ferrosi, ceramiche, incenerimento.