Che cos'è il "Cooling to Power"?

Ciclo Rankine e Ciclo Rankine Organico
Il calore di scarto è una fonte di energia vasta, sottoutilizzata e sostenibile, spesso trascurata a causa dei costi necessari per catturare e convertire il calore in elettricità. I sistemi a ciclo Rankine (RC) sono stati utilizzati per decenni per generare elettricità pulita dal calore, ma questi sistemi sono limitati alle fonti di calore ad alta temperatura, come quelle presenti nelle grandi centrali elettriche, nei complessi industriali e nelle grandi fonti geotermiche.

Con lo sviluppo della tecnologia del Ciclo Rankine Organico (ORC), un perfezionamento del Ciclo Rankine, è ora possibile catturare e convertire il calore a bassa temperatura in elettricità. La differenza principale tra i due cicli è che i cicli RC utilizzano il vapore per produrre energia, mentre i cicli ORC convertono un fluido di lavoro organico, che ha un punto di ebollizione inferiore a quello dell'acqua, in vapore per produrre energia. Questo fattore di differenziazione consente di realizzare sistemi molto più piccoli e di utilizzare fonti di calore a bassa temperatura, come il calore di scarto dei motori e il calore di processo, per generare elettricità senza emissioni.

 

Espansore a vite vs. tecnologie a turbina
Tuttavia, non tutti i sistemi ORC sono uguali. Ci sono quelli che utilizzano una turbina come generatore di energia, mentre altri utilizzano un espansore a vite. Ogni sistema presenta vantaggi e svantaggi, che verranno discussi brevemente in questa sede; tuttavia, è importante notare che la tecnologia di raffreddamento a zero energia è una soluzione che utilizza prevalentemente la tecnologia dell'espansore a vite.

I sistemi a turbina sono generalmente adatti a flussi di calore stabili con carico costante. Offrono un leggero aumento dell'efficienza rispetto agli espansori, grazie alla minore perdita di attrito e alle velocità operative estremamente elevate. Tuttavia, con le pale che girano a velocità così elevate, i sistemi a turbina rischiano di essere danneggiati dall'impingement del liquido, ovvero dalla formazione di gocce di liquido nel vapore pressurizzato. Di conseguenza, questo ciclo richiede un vapore surriscaldato durante tutto il processo per evitare la condensazione, che può verificarsi a causa di un calo di pressione. In questo caso, le lame potrebbero danneggiarsi gravemente e dover essere sostituite. Questo crea un problema con fonti di calore più piccole e variabili. Se la turbina non è in grado di mantenere i parametri di ingresso del surriscaldamento, il sistema dovrà spegnersi o andare in bypass per evitare danni.

Come indicato in precedenza, mentre un sistema a turbina può essere ideale per le fonti di calore a temperatura più elevata con un flusso costante, tende a non essere adatto a molte opportunità di recupero del calore di scarto che i sistemi di espansione a vite sono in grado di sfruttare grazie alle loro superiori capacità di funzionamento transitorio.

Gli espansori a vite sono più compatti, economici e robusti rispetto ai sistemi a turbina. Il loro design consente di ottenere velocità di funzionamento più basse, un funzionamento più silenzioso e una minore manutenzione. Poiché il sistema funziona a velocità molto più basse, esercita una minore pressione sulla pompa, riducendo i costi di manutenzione e facilitando il funzionamento. La robustezza di un espansore gli consente di tollerare un flusso bifase "umido", causato da un cambio di fase incompleto del fluido di lavoro. Ciò rende gli espansori a vite meglio equipaggiati per il funzionamento transitorio, consentendo al sistema di generare in modo affidabile energia da fonti di calore con fluttuazioni di input termico, sia di temperatura che di flusso. Inoltre, i sistemi di espansione hanno un rapporto di turndown di gran lunga superiore, con sistemi leader in grado di funzionare da 5 kW a 125 kW.

I sistemi ORC che incorporano un espansore a doppia vite non solo sono più convenienti e affidabili, ma sono anche più adatti al recupero del calore di scarto a bassa temperatura, dove la disponibilità di calore è variabile, e sono particolarmente indicati per le applicazioni di raffreddamento a zero.

 

Il potenziale del calore di scarto
La generazione di energia e i processi industriali, tra gli altri settori, perdono gran parte dell'energia applicata sotto forma di calore, che in molti casi può superare i 50%. Questa energia persa è comunemente nota come calore di scarto. Nei motori a combustione interna, il calore disperso viene eliminato attraverso il sistema dell'acqua della camicia del motore e i gas di scarico. Detto questo, esistono molti settori diversi con diverse forme di calore di scarto. Se il calore disperso può essere raccolto e convertito in una fonte di calore fluido attraverso l'uso di scambiatori di calore, è possibile integrare un sistema ORC per riciclare il calore in elettricità pulita e verde.

Il calore prodotto come sottoprodotto in questi processi può essere amico o nemico, a seconda di come si affronta la situazione. Prendiamo ad esempio i motori a combustione (o gruppi elettrogeni). I motori sono ampiamente utilizzati in tutto il mondo, dalla generazione di energia a distanza, alla propulsione marina, alla digestione anaerobica, alla produzione di LFG e alla compressione del gas. Indipendentemente dal loro utilizzo, i motori generano notevoli quantità di calore. Questo calore è uno spreco di energia termica e sottrae preziosa energia al motore per il raffreddamento. Il calore di scarto e il carico di raffreddamento parassitario rappresentano una buona parte dell'energia persa nei processi di generazione di energia.

I moderni sistemi ORC possono convertire fonti di calore a partire da 70°C in energia pulita. Questi nuovi sistemi sono stati sottoposti a molti anni di sviluppo per garantire che siano più efficienti in termini di costi, robusti e affidabili rispetto ai sistemi ORC del passato. Questa tecnologia sofisticata ma semplice è diventata un'area di interesse ricorrente quando si parla di efficienza energetica e sostenibilità. Il potenziale di recupero del calore da fonti a bassa temperatura offre alle aziende, sia piccole che grandi, l'opportunità di sfruttare il calore di scarto per ottenere una maggiore efficienza energetica e migliorare i propri profitti, adottando al contempo misure per migliorare il pianeta.

 

Che cos'è il "raffreddamento a potenza"?
Il termine "Cooling to power" si riferisce alla capacità delle unità ORC di agire come un generatore combinato di raffreddamento ed energia, fornendo una soluzione di raffreddamento a zero emissioni che genera energia come funzione secondaria quando il carico di raffreddamento non è al picco della domanda. La conversione del raffreddamento in energia è un mezzo efficace per aumentare l'efficienza energetica, poiché i sistemi ORC consumano il calore di scarto come combustibile, riducendo in modo significativo il carico di raffreddamento (70-100%). Ciò significa che, oltre a generare energia senza emissioni, il carico di raffreddamento parassita viene ridotto o addirittura eliminato, riducendo ulteriormente i costi e aumentando l'efficienza.

La riduzione del carico termico consente ai sistemi di raffreddamento di dare priorità alla generazione di elettricità pulita. Quando il carico di raffreddamento aumenta, il sistema regola automaticamente la potenza in uscita per soddisfare i requisiti di raffreddamento del motore, mantenendo il raffreddamento del motore indipendentemente dallo stato operativo del generatore. In rari casi, durante i picchi di domanda, l'espansore ORC viene completamente bypassato e il sistema dà priorità al raffreddamento a pieno carico. Questo è l'unico momento in cui il sistema consuma energia non propria.

In sostanza, la tecnologia cooling to power fornisce un radiatore altamente efficiente e autoalimentato che si ripaga da solo grazie alla generazione di energia. Mentre i sistemi di raffreddamento tradizionali (radiatori / torri di raffreddamento) consumano energia per fornire il raffreddamento, i sistemi cooling to power consumano calore per fornire il raffreddamento e l'energia. In questo modo si ottiene una soluzione di raffreddamento con un valore attuale netto (VAN) positivo anziché negativo.

 

Numeri rapidi
Se le tariffe elettriche in una zona sono pari a $0,10/kWh e un radiatore funziona per 8.000 ore all'anno con un consumo di 8 kW, ciò equivale a 64 MWh all'anno per un valore di $6.400. Se il radiatore venisse sostituito con un sistema di raffreddamento a potenza, come l'Active Cooler di ElectraTherm, e producesse una media di 40 kW sostituendo il precedente fabbisogno di 8 kW, sarebbero 48 kW di nuova energia elettrica disponibile, o 384 MWh all'anno, valutati in $38.400. In un periodo di 20 anni, a parità di tutte le variabili, l'Active Cooler aumenterebbe le entrate di $768.000, mentre un radiatore standard costerebbe $128.000.

I casi di studio precedenti che hanno dimostrato la capacità del raffreddamento di alimentare la tecnologia hanno visto aumenti di efficienza dell'ordine di 5%, un numero esiguo che ha un grande impatto sui profitti delle aziende e sull'ambiente.

 

Implicazioni economiche e ambientali
L'aumento dell'efficienza energetica è il passo più semplice per perseguire un futuro a zero emissioni. L'utilizzo di una risorsa esistente - il calore - per fornire energia e raffreddamento riduce il consumo di combustibili fossili e la dipendenza dalla rete. La generazione di energia ORC è una tecnologia sostenibile che riduce la quantità di energia consumata (combustibile) e di energia sprecata (calore). L'efficienza energetica avrà sempre un ruolo nella lotta al cambiamento climatico perché, indipendentemente dal processo, più è efficiente, meno impatto ha sul pianeta.

Grazie all'affidabilità e all'economicità dei sistemi moderni, le soluzioni di recupero del calore residuo come il cooling to power sono redditizie e pratiche. Con il mondo che cerca di orientarsi verso l'energia pulita e con l'aiuto di incentivi che promuovono la sostenibilità come il Consolidated Appropriations Act 2021, il cooling to power è pronto a diventare una tecnologia dirompente nel mercato dell'efficienza energetica e del raffreddamento commerciale, cambiando di fatto il modo in cui le aziende vedono e utilizzano il calore residuo.

 

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Informazioni su ElectraTherm

ElectraTherm del Gruppo BITZER fornisce soluzioni di classe mondiale per il recupero del calore di scarto utilizzando il Ciclo Rankine Organico insieme a tecnologie proprietarie per convertire il calore a bassa temperatura in energia pulita. Le soluzioni semplici ed efficaci di ElectraTherm generano elettricità pulita, aumentano l'efficienza, riducono i costi energetici e diminuiscono le emissioni, senza alcun consumo aggiuntivo di carburante. Avendo spedito oltre 100 unità ORC in più di 13 Paesi, con oltre 2.000.000 di ore di funzionamento, ElectraTherm è leader mondiale nel recupero del calore di scarto su piccola scala.

Il vantaggio combinato dell'ingegneria di ElectraTherm e il valore del supporto di BITZER, il più grande produttore indipendente di compressori per la refrigerazione al mondo, che vanta quasi 3.500 dipendenti in tutto il mondo e un fatturato medio annuo di circa 1 miliardo di euro, consente al team di ElectraTherm di continuare a sviluppare una tecnologia ORC all'avanguardia nel settore, che fa bene sia al business che al pianeta.

ElectraTherm Generatore Power+ è una soluzione heat to power, che converte il calore di scarto in elettricità pulita e calore utilizzabile. Il Raffreddatore attivo è una soluzione di raffreddamento a energia zero, che utilizza lo stesso processo ORC per fornire un raffreddamento autoalimentato e al contempo generare elettricità. Entrambe le soluzioni di ElectraTherm riducono le emissioni e i costi energetici, fornendo al contempo un'alimentazione/raffreddamento di base. Sfruttare il calore residuo non è solo redditizio, ma anche pratico. Permette alle aziende di beneficiare di un'economia più circolare e di raggiungere gli obiettivi di sostenibilità.