ORC nell'impianto di biogas: quanta energia elettrica si può recuperare dal calore di scarto

L'ORC (Organic Rankine Cycle) è un ciclo termodinamico in cui, al posto dell'acqua, circola un fluido organico a basso punto di ebollizione, che consente di produrre energia elettrica da calore con temperature nell'intervallo di 80–300 °C. Per il calore proveniente da un gruppo di cogenerazione a biogas, un modulo ORC recupera solitamente dal qualche al una dozzina percento dell'energia termica sotto forma di energia elettrica — ovvero, per un eccesso di 300–400 kW di calore, ciò si traduce in alcune decine di kW di potenza elettrica. Ha senso solo quando il calore non può essere venduto in modo più economico e semplice.

Principio di funzionamento

Il fluido (ad esempio idrocarburi, idrofluorocarburi, oli siliconici — a seconda del produttore) viene vaporizzato in uno scambiatore di calore con il calore di scarto, si espande in una turbina o espansore che aziona un generatore, successivamente si condensa in un condensatore raffreddato ad aria o acqua e ritorna alla pompa. L'efficienza è determinata dai limiti del secondo principio della termodinamica: minore è la differenza di temperatura tra la sorgente e il raffreddamento, minore è l'efficienza (limite di Carnot). Con una sorgente a 90 °C e un raffreddamento a 25 °C, il limite teorico è circa il 18%, mentre l'efficienza pratica è notevolmente inferiore.

Fonti di calore nell'impianto di biogas

I moduli dedicati agli impianti di biogas spesso funzionano con acqua calda o olio termico riscaldato dai gas di scarico.

Esempio di calcolo

Ipotesi: gruppo di cogenerazione da 500 kW el., eccesso di calore per ORC 300 kW, efficienza netta ORC 8%, disponibilità 7 500 h/anno.

• potenza elettrica netta: 300 × 0,08 = 24 kW,
• produzione annua: 24 × 7 500 = 180 MWh,
• con un prezzo ipotetico di vendita dell'energia (ad es. 400 zł/MWh) il ricavo sarebbe di 72 000 zł/anno; con 800 zł/MWh — 144 000 zł.

Il risultato mostra che gli investimenti per il modulo (dell'ordine di centinaia di migliaia fino a oltre un milione di złoty per tali scale) si ripagano solo con prezzi dell'energia adeguatamente elevati o con incentivi e bassi costi di manutenzione. I prezzi nell'esempio sono ipotetici; la valutazione deve basarsi sui propri prezzi e condizioni.

Vantaggi e svantaggi

Quando l'ORC ha senso

• assenza di clienti locali per il calore (o vendita limitata),
• prezzo elevato dell'energia elettrica o sistema di incentivi disponibile,
• funzionamento stabile della cogenerazione (>7 500 h/anno),
• possibilità di raffreddamento con acqua a bassa temperatura.

Quando è possibile utilizzare il calore in modo più economico (essiccazione, riscaldamento), questa soluzione è generalmente preferibile.

Questioni operative

• fluidi di lavoro: valutazione della sicurezza (infiammabilità, tossicità, GWP) e requisiti normativi per il fluido,
• protezione contro l'aumento di pressione e perdite,
• manutenzione: sostituzione delle guarnizioni, controllo della turbina, pulizia degli scambiatori,
• integrazione con l'automazione dell'impianto di biogas e disponibilità di monitoraggio remoto,
• principi di connessione alla rete per la potenza aggiuntiva (adempimenti burocratici).

Domande al fornitore

1. Qual è l'efficienza netta in condizioni progettuali e medie annuali?
2. Quali temperature e portate di calore sono richieste?
3. Come sono strutturate la garanzia e i costi di manutenzione?
4. Quali sono i riferimenti per installazioni simili?
5. Come si comporta il modulo in caso di carico parziale?

Un'analisi affidabile richiede il confronto tra scenari: vendita del calore, essiccazione, ORC, nessun investimento. Solo il confronto dei flussi di cassa con un recupero realistico mostra se l'ORC è giustificato. Un indicatore semplificato: il costo dell'energia prodotta con l'ORC nell'intero ciclo di vita, confrontato con il prezzo di vendita o acquisto dell'energia.

ORC e altri modi di utilizzare i gas di scarico

I gas di scarico del motore possono essere utilizzati anche per produrre vapore tecnologico o olio termico per essiccatoi. Questa opzione offre un migliore utilizzo dell'energia rispetto all'ORC, a condizione che esista un cliente per il processo. L'ORC viene scelto quando il calore è "inutilizzabile" in altro modo. Vale anche la pena considerare se, invece dell'ORC, non sia meglio investire in una maggiore efficienza elettrica del gruppo di cogenerazione stesso (motore più grande, migliore raffreddamento della miscela).

Rischi finanziari

Il rischio maggiore è ipotizzare un'efficienza e una disponibilità del modulo eccessivamente ottimistiche. Richieda garanzie di resa e indichi nel contratto il metodo di misurazione. Consideri la diminuzione di efficienza nelle giornate calde, il costo di sostituzione del fluido, la manutenzione degli scambiatori e i prezzi previsti dell'energia per l'intero periodo di ammortamento. Se il sistema di incentivi per l'energia da biogas ha una durata limitata, valuti i flussi di cassa anche dopo la sua scadenza.

Scelta della dimensione del modulo

Il modulo ORC viene dimensionato in base all'eccesso costante di calore, non al picco. Un modulo troppo grande lavorerà al di sotto dell'ottimale, uno troppo piccolo non sfrutterà il potenziale. Tipicamente, il modulo copre il calore disponibile per la maggior parte dell'anno dopo aver sottratto il fabbisogno proprio per il riscaldamento delle camere. Poiché in inverno il fabbisogno proprio aumenta, l'eccesso per l'ORC è minimo — ciò significa che la produzione annua reale può essere inferiore al prodotto della potenza nominale per il numero di ore.

Sintesi della decisione

L'ORC è una buona opzione per impianti con un grande e costante eccesso di calore, senza clienti locali. Per la maggior parte degli impianti di biogas agricoli, le priorità dovrebbero essere: migliorare l'efficienza elettrica, vendere o utilizzare il calore e solo successivamente considerare l'ORC come soluzione complementare.