Trasforma lo scarto termico in energia elettrica
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Una nuova generazione di motori radiali brevettati a ciclo Rankine
La nostra ricerca è iniziata nel 2004 dopo aver valutato il reale bilancio energetico di diverse tecnologie. All’inizio abbiamo costruito e testato diversi tipi di espansori (scroll-viti-turbine) dopo anni di studio siamo giunti alla conclusione che il motore a pistoni rappresenta ancora la soluzione più semplice, efficiente e flessibile per produrre energia elettrica da fonti a bassissima temperatura.
Una soluzione unica e
rivoluzionaria per l'ambiente
Il nostro espansore a ciclo Rankine modificato (ORC) è in grado di operare in condizioni di lavoro irraggiungibili per le turbine e altre macchine, mantenendo una flessibilità incredibile. Attualmente il motore STARENGINE è al centro di diversi studi da parte di enti di ricerca e università poiché rappresenta un sistema unico a livello mondiale.
Come funziona:
un principio fisico molto semplice, la macchina a vapore
Il nostro espansore è una macchina a vapore a pistoni radiali (motore stellare) a ciclo ermetico, dove al posto dell’acqua circola internamente alla macchina un fluido basso bollente (-26 °C). L’alimentazione di potenza avviene per mezzo di acqua calda che trasferisce l’energia termica al gas che viene pressurizzato in alta pressione (fino a circa 27 bar). Quest’ultimo viene iniettato a livello gassoso nella camera del pistone attraverso il sistema di distribuzione brevettato. L’albero mosso dal nostro motore radiale brevettato pone in rotazione il generatore elettrico. Il gas, una volta espanso viene condensato e pompato per compiere un altro ciclo percorrendo un circuito ermetico.
Riconoscimenti e brevetti
Durante lo sviluppo sono state messe a punto molte soluzioni sia a livello di ciclo che di tecnologia. Tali innovazioni hanno reso la macchina unica, riconoscendo all’azienda diversi brevetti a livello mondiale. Senza queste peculiarità scientifiche messe a punto in numerosi anni di ricerca e notevoli investimenti, il sistema non potrebbe raggiungere certi livelli di prestazione e affidabilità.
Patent notice
The machine is protected by one or more of the following patents and patent applications:
IT 102016000080081
EP 17757889.5
US 11,060,404
IT 102016000080087
IT 1393264
IT 1410508
EP 2430306B1
IT 1416617
EP 2971619B1
BR 112015022225-0
RU 2633321
US 9,759,097
Pubblicazione Scientifica Università di Bologna
Caratteristiche
- Rendimento
- Robustezza
- Affidabilità
- Flessibilità
- Campo d’impiego
- Autoregolazione
- Stabilità funzionamento
- Facilità d’uso
- Manutenzione semplice
- Nessun assorbimento elettrico parassita di potenza
Sorgenti termiche
- Fonti calde: acqua, aria, olio, fumi
- Geotermia a bassa temperatura 45°C fino a 150°C
- Raffreddamento di processi industriali tra 45°C e 90°C
- Raffreddamento di basamenti motore da 70°C a 88°C
- Fonti fredde: acqua, aria
Schema di principio
Rendimento
Il rendimento dipende dal salto di temperatura tra la sorgente calda e quella fredda, cioè dal rapporto tra le pressione massima e quella minima.
I criteri di calcolo sono definiti in seguito.
Il ciclo di Carnot
η =
T1-T2
T1
Rendimento
La termodinamica ci insegna che il ciclo ottimale, cioè quello avente il migliore rendimento è il ciclo studiato da Carnot. E’ rispetto a questa macchina ideale che ci siamo confrontati quando abbiamo sviluppato il nostro espansore. Il rendimento massimo ottenibile da un macchina tanto perfetta quanto teorica, è: per una macchina funzionante tra 70°C (343,15 K) effettivi e che condensa a 25 °C effettivi (298 K).
Schema di principio
Per una macchina funzionante tra 70°C (343,15 K) effettivi e che condensa a 25 °C effettivi (298 K).
Il rendimento massimo ottenibile è:
η =
T1-T2
T1
η =
T1-T2
T1
η =
T1-T2
T1
Dalle prove sperimentali, in condizioni standard, abbiamo ottenuto dal 7 all'11% di rendimento netto del ciclo termodinamico pari al 54% e 84 % del ciclo di Carnot
Connessione alla fonte calda
La fonte calda è di norma costituita da un fluido caldo, che fa parte del processo del sito del cliente. Di norma questo fluido vettore è acqua. Il bilancio termico della fonte di alimentazione, cioè la Potenza termica si calcola con la formula. Di norma le portate sono espresso in m3/h o litri sec o litri /min.
Schema di principio
P Kcal= m x c x Δt
Δt in °C
Tenendo conto che Kcal = 4,186 J
1 h= 3600 sec
C=1
Ed esprimendo la portata in m3/hP(kw)= m x c x Δt x 1,16
Dove
m = portata di massa in m3/h
C= calore specifico dell’acqua o della soluzione glicolata (tra 1 e 0,7)Δt = SALTO TERMICO tra temperatura di ingresso dell’acqua nello scambiatore e quella di uscita.
Esempio 1
Acqua calda
Conosco la portata e la Potenza e voglio determinare il salto termico.
P=500 kW termici
30 m3/h
acqua non glicolata pulita
Salto termico Δt=
500
30 x 1,16
Δt= 14,36°C (K)
Ipotizzando un rendimento netto del sistema del 10%, la potenza ricavabile sarebbe di 50 kW elettrici.
(vedi questa sezione per la scelta del prodotto).
Esempio 2
Acqua calda
Conosco la Potenza termica, impongo il salto termico e voglio determinare la portata della pompa
P=500 kW termici
Portata della pompa in metri cubi h
Salto termico imposto = 88-70=18 °C
m=
500
18 x 1,16
m = 23,94 metri cubi ora
Esempio 3
Acqua calda
Ho misurato la portata, il salto termico, voglio conoscere la Potenza termica disponibile
m= 70 m3/h
Calcolo della Potenza
Salto termico (ingresso-uscita) = 5 °C
P= 70 x 1 x (5 x 1,16) P = 407 kW termici
Esempio 4
Calcolo recupero fumi caldi
Portata camino 2.000 m3/h
Approssimando il valore entalpico di 1 metro cubo d’aria a 0,31 kcal/m3
Fumo caldo in uscita 400°C
Fumo caldo dopo il recuperatore di calore 150°C
Salto termico 250 °C
Potenza termica recuperabile =
2000
860 x 250 x 0,31
= 180 kW
Scelta del prodotto
La scelta della macchina va effettuata
tenendo conto di quattro aspetti principali:
- La Potenza termica disponibile alla fonte calda
- Le coordinate termodinamiche entro quali è previsto il funzionamento della macchina
- Individuazione stimata del rendimento tenendo conto delle temperature di evaporazione e condensazione del gas (2/3 del ciclo di Carnot funzionante tra le stesse isoterme)
- Calcolo della potenza ricavabile dal ciclo
Determinazione della temperature di evaporazione del gas
Per temperature di riferimento si intendono quelle effettive. Per esempio se l’acqua calda entra a 85°C ed esce a 75 °C la temperature media (approssimata per semplicità) è di 80°C. Lo scambiatore trasferisce la Potenza attraverso dei setti (pareti) introducendo un inevitabile salto termico. StarEngine sceglie prodotti di ottima qualità e sovradimensiona i componenti tenendo conto anche delle perdite di potenza e di perdita di carico. Per gli scambiatori di norma si considerano dai 3 ai 5 gradi Kelvin. Ritornando all’esempio sopra la temperature effettiva nello scambiatore sarebbe tra 75 e 77 °C.
Determinazione della temperature di condensazione del gas
Sempre con riferimento alla temperature effettive. La determinazione della temperature di condensazione è più delicata di quella di evaporazione perché si possono effettuare diverse scelte tecnologiche per condensare il gas. Per esempio si possono impiegare sistemi di raffreddamento diretto mediante scambiatori ad aria, oppure sistemi che utilizzano un fluido intermedio come l’acqua, oppure sistemi ibridi.
La scelta deve essere effettuata da un tecnico esperto in termodinamica perché la scelta può influenzare molto le prestazione della macchina. Le considerazioni fatte sopra possono essere valide anche per il sistema di condensazione, tranne per il fatto che il salto termico del sistema di condensazione potrebbe essere molto diverso.
Le perdite di carico all’interno degli scambiatori per l’acqua calda sono praticamente trascurabili in virtù del sovradimensionamento.
Esempio condensazione con fascio tubiero e torre di raffreddamento
Semplificando potremmo considerare la temperatura dell’acqua in torre inferiore di circa 6°C rispetto alla temperatura esterna per effetto della espansione adiabatica dell’acqua. Il salto termico con un buon condensatore funzionante con una buona portata d’acqua potrebbe essere di circa 9°C . Per esempio con una temperatura media annuale di 11,4 °C si potrebbe considerare una temperature media di condensazione di circa 11,4-6+9= 14,4 °C.
Esempio
Supponiamo di disporre di 70 m3/h con acqua calda in ingresso a 75 C e in uscita a 70 C,
La fonte fredda è rappresentata da 70 m3/h di acqua fredda con ingresso a 15 C e uscita a 20 C.
Calcoliamo la potenza termica disponibile per il sistema: (vedi esempio 3).
Connessione alla rete elettrica
Il motore è connesso a un generatore asincrono 4 poli 50/60 Hz, 400V Siemens certificato per il parallelo rete.
Il sistema è ermetico e la connessione avviene per mezzo di cinque connettori (3 fasi + neutro + terra) che vanno connessi al sistema di protezione che dovrà essere scelto dal cliente in funzione del gestore della rete. La velocità di rotazione è quella fissata per un generatore a due poli con scorrimento positivo.
Esempi di impiego
- Industria alimentare
- Industria siderurgica
- Industria chimica
- Estrusori plastica
- Raffredamento stampi
- Cartiere
- Geotermia
- Forni e fornaci
- Raffreddamento oli
- Scarti termici di turbine e macchine elettriche
StarEngine in cifre
Se l’energia elettrica è prodotta da combustibili fossili il rapporto è questo:
Una tonnellata di petrolio equivalente
TEP equivale a 5350 kWh
Se la macchina genera 20 kW elettrico per 8500 h si ottengono:
20 x 8500 = 170.000 kWh
Per ottenere questa energia servono
170.000/5.350=31 tonnellate di petrolio
Considerando che 1 litro petrolio pesa 0,84 kg 31000/0,84= 36.000 litri
Per ottenere 1kWh elettrico serve “bruciate” 2,55 kg di petrolio
CO2
Per ogni kWh elettrico si producono 0,65 kg di anidride carbonica.
Riprendendo i calcoli:
170.000 kWh prodotti da fossile avrebbero generato
170.000 x 0,65 = 110500 kg di CO2
Valore economico
Per ogni TEP vengono riconosciuti dei titoli di efficienza energetica TEE
o White Certificates.
Essi sono quotati sul libero mercato oppure attraverso i gestori.
Valorizzando con un valore approssimativo di 0,20 €/kWh, l’energia prodotta si ottiene:
170.000 x 0,20 = 34.000 €/anno
Considerando nel calcolo l’attuale valore della carbon tax, risultano circa 42.500 €/anno
Conclusioni
Una macchina di StarEngine vale per l’ambiente :
110 TONNELLATE di anidride carbonica
36000 LITRI di carburante
producendo 34.000€ all’anno
Trasforma lo scarto termico in energia elettrica