Le turbine a gas sono disponibili in una varietà di dimensioni. Mentre le grandi turbine a combustione sembrano ottenere la maggior parte della pubblicità, con aziende del calibro di Siemens, GE e Mitsubishi Hitachi Power Systems che fanno più rumore, diverse aziende più piccole hanno scoperto nicchie nel mercato delle microturbine. I loro design innovativi stanno trovando interesse nei segmenti commerciali e industriali.
Quando molte persone pensano alle microturbine, spesso immaginano piccole unità che producono solo 30 kW di potenza. Mentre tali unità sono nuove, l’industria si è evoluta molto nell’ultimo decennio e le unità multipack possono raggiungere fino a 30 MW di capacità totale in questi giorni.
La società di consulenza ICF Inc. mantiene un database di installazioni di calore ed energia combinati (CHP) per il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. È considerata la fonte più completa di informazioni sulle installazioni CHP nel paese. ICF ha recentemente riferito che le microturbine hanno catturato una quota di mercato del 25% delle installazioni di CHP negli Stati Uniti nella gamma da 100 kW a 5 MW durante il periodo 2013-2017. Questo ha stabilito un nuovo record.
Secondo il database, la capacità totale installata dei sistemi CHP inferiori a 5 MW era di 2.631,4 MW alla fine del 2017. ICF prevede che le installazioni annuali di capacità di cogenerazione negli Stati Uniti cresceranno da 561 MW nel 2017 a ben 1.400 MW nel 2026. La crescita dovrebbe essere guidata da applicazioni commerciali più piccole che sono tipicamente compatibili con la tecnologia delle microturbine.
“Considerando i prezzi record del gas e la sua stabilità per il prossimo futuro, lo sviluppo di progetti di cogenerazione presenta un’opportunità attraente con più flussi di entrate – il vapore venduto agli host per i processi industriali e l’energia elettrica venduta alla rete”, ha detto Siraj Taj, principale e proprietario di ST Power Services Consultants, a POWER. “I consumatori commerciali e industriali stanno valutando la fattibilità economica della cogenerazione dietro il recinto per ridurre i costi operativi, migliorare l’affidabilità, raggiungere gli obiettivi di efficienza energetica e ridurre la loro impronta di carbonio”, ha aggiunto.
Powering Industrial Processes
Quasi un decennio fa, POWER segnalava la crescita dei sistemi di microturbine (vedere “Microturbine Technology Matures” nel numero di novembre 2010). Capstone Turbine Corp., che sostiene di essere il leader mondiale nello sviluppo e nella produzione di sistemi di generazione di energia a microturbina, vendeva già allora singole unità con capacità fino a 1 MW. Oggi, tutte le unità di Capstone possono essere messe in parallelo fino a 30 MW di capacità.
Per capire dove questi pacchetti possono essere utili, consideriamo Felsineo La Mortadella. L’azienda è un’industria alimentare italiana che produce una salsiccia di maiale finemente macinata e stagionata a caldo. È stata descritta in un caso di studio pubblicato sul sito web di Capstone.
Felsineo stava cercando di aggiornare il sistema di generazione di energia presso il suo stabilimento di produzione principale a Bologna. Voleva un sistema in grado di gestire un aumento della produzione di vapore saturo per la produzione di salsicce.
L’azienda ha deciso di installare la microturbina C1000 di Capstone alimentata a gas naturale (Figura 1) insieme a un compressore a gas e a un generatore di vapore post-combustione. Il progetto di Felsineo è stata la prima microturbina di Capstone a utilizzare una soluzione a vapore post-combustione, che ha soddisfatto con successo sia la domanda elettrica che quella termica dell’impianto. L’efficienza complessiva dell’impianto di produzione è migliorata del 30%, facendo risparmiare a Felsineo circa 300.000 euro all’anno, secondo il case study.
1. Capstone Turbine Corp. offre una linea di microturbine dal suo design C30 da 30 kW (qui mostrato in sezione) all’unità C1000S da 1 MW. Per gentile concessione: Capstone Turbine Corp.
“La nuova linea di prodotti Signature Series di Capstone sta facendo progressi significativi nel mercato della cogenerazione, che si concentra in particolare sulla crescita del mercato verticale dell’efficienza energetica e continua a diversificare il business di Capstone”, ha detto Jim Crouse, vicepresidente esecutivo di Capstone per le vendite e il marketing, in un recente comunicato stampa sulla crescita nel mercato della cogenerazione.
La più efficiente piccola turbina a gas del mondo
Aurelia Turbines è un relativo nuovo arrivato sul mercato – la società è stata fondata nel 2013 – ma la sua tecnologia è stata in sviluppo per decenni. La sede principale dell’azienda e gli impianti di produzione si trovano a Lappeenranta, in Finlandia. La posizione è significativa perché Aurelia ha lavorato in collaborazione con l’Università di Tecnologia di Lappeenranta per sviluppare la sua nuova turbina a gas.
Secondo il CEO di Aurelia, Matti Malkamäki, Lappeenranta è “un po’ come una Silicon Valley per la tecnologia ad alta velocità”. In un’intervista esclusiva con POWER, Malkamäki ha detto che ha specificamente stabilito l’azienda a Lappeenranta a causa del “know-how” che esisteva nella zona. “Nelle prime fasi, c’erano cinque diversi professori dell’università e i loro rispettivi team di ricerca, in tutto più di 30, che stavano progettando la turbina. Senza di loro, questo prodotto non avrebbe mai visto la luce del giorno”, ha detto.
La turbina a gas Aurelia utilizza quello che l’azienda chiama un processo IRG2 (generatore intercooled e recuperato su due bobine). Anche se le turbine multi-spool e le turbine recuperate/intercooled esistono in altre forme, la turbina A400 di Aurelia è la prima del suo genere a utilizzare tutte queste caratteristiche nella stessa unità (Figura 2).
2. Questo diagramma mostra il processo IRG2 (generatore intercooled e recuperato su due bobine). I componenti principali del progetto Aurelia includono compressori a bassa pressione (LP) e ad alta pressione (HP), turbine e generatori. Per gentile concessione: Aurelia Turbines
La ricompensa è una migliore efficienza. Aurelia sostiene di avere le piccole turbine a gas più efficienti del mondo in base all’efficienza elettrica.
“Non stiamo facendo nessun miracolo qui”, ha spiegato Malkamäki. “La più grande differenza per noi rispetto ad altre turbine a gas di dimensioni simili è semplicemente il fatto che abbiamo due alberi. Abbiamo l’albero di bassa pressione e quello di alta pressione. Questo significa che abbiamo due generatori. Sono entrambi senza riduttori, quindi sono alberi ad alta velocità. E abbiamo il compressore a bassa pressione dopo il quale abbiamo l’intercooler che rende il resto del processo di conversione molto più efficiente perché l’aria è più densa e più fredda. Poi abbiamo un recuperatore – quindi questa è una turbina recuperata – ma abbiamo un rapporto di pressione un po’ più alto nella camera di combustione rispetto a tutte le altre turbine di dimensioni simili. Questo ci dà un po’ di vantaggio”.
Mentre il progetto Capstone è adatto alle installazioni di cogenerazione dove il calore di scarico può essere utilizzato per migliorare l’efficienza complessiva, Aurelia ha puntato su applicazioni dove l’elettricità è la forza trainante dietro la decisione di installare una turbina. La turbina Aurelia può ancora essere usata in applicazioni CHP, ma a seconda dei particolari requisiti del sito, potrebbe essere necessario anche un bruciatore a condotto.
“Siamo più in competizione con i motori a gas”, ha detto Malkamäki. In quel campo, l’Aurelia offre una maggiore flessibilità del carburante e minori emissioni. “Abbiamo una finestra molto più grande per i diversi combustibili. Possiamo utilizzare biogas molto magri che non sono adatti ai motori. Questo è dove vediamo la prima nicchia di mercato per noi.”
Un’altra caratteristica unica progettata nella turbina Aurelia sono i cuscinetti magnetici attivi. I cuscinetti non richiedono olio, il che elimina il potenziale di perdite e riduce la manutenzione. Il design non è nuovo. Sulzer, che ha anche una presenza a Lappeenranta, sta usando cuscinetti simili in alcune delle sue attrezzature, come nei turbocompressori ad alta velocità per gli impianti di trattamento delle acque reflue e diversi altri. Il successo in queste applicazioni ha dato ad Aurelia fiducia nel sistema di cuscinetti utilizzato nel progetto della turbina.
“In questo settore, è tutta una questione di affidabilità e di dimostrare che sei un’azienda affidabile”, ha detto Malkamäki. Aurelia sta cercando di fare tutto il possibile “per fare il discorso”, ha aggiunto.
Soluzioni aggiuntive di cogenerazione
La Centrax, con sede nel Regno Unito, è un altro fornitore di soluzioni di turbine a gas di piccole dimensioni. Nell’ottobre 2017, ha commissionato un progetto anche a Bologna, in Italia. Quella struttura sta utilizzando due gruppi elettrogeni CX501-KB5 DLE, ognuno dei quali fornisce fino a 3,9 MW di potenza elettrica, collegati a caldaie industriali che hanno la capacità di fornire riscaldamento a circa 8.000 famiglie della città. I due pacchetti sono alimentati da turbine a gas Siemens 501-K.
Hera, la società multiutility che possiede l’impianto, ha investito più di 17 milioni di euro nel progetto, che è situato in un impianto che è stato operativo dagli anni 1990. L’impulso per l’aggiornamento è stato quello di migliorare l’efficienza energetica e la sostenibilità ambientale, secondo la società. Parte del vecchio impianto è stato demolito nel maggio 2015, e la centrale ha iniziato ad alimentare la rete di teleriscaldamento in meno di 18 mesi.
“I gruppi elettrogeni 501-KB5 DLE sono ben adatti a questo progetto, fornendo ad Hera una soluzione compatta ma potente che consente un’eccellente flessibilità come e quando il calore e l’energia sono necessari”, ha detto Chris Dumont, executive manager di vendite e marketing con Centrax, in un comunicato stampa che annuncia l’apertura dell’impianto. “Grazie alla nuova tecnologia, Hera è in grado di controllare gli impianti da un centro remoto, consentendo di ridurre al minimo i requisiti del personale in loco.”
OPRA Turbines, una società olandese del gruppo Dalian Energas, offre un altro piccolo pacchetto di turbine a gas. La sua turbina a gas OP16 ha un design interamente radiale. Si dice che sia unica perché i suoi sistemi di combustione avanzati offrono la capacità di gestire una vasta gamma di combustibili liquidi e gassosi. Il moderato rapporto di pressione della OP16 rende possibile il funzionamento a bassa pressione del gas combustibile, e può essere equipaggiata con combustori a basse emissioni o a basso Btu. Secondo l’azienda, la sua tecnologia di combustione unica può trasformare il gas combustibile sporco che altrimenti verrebbe bruciato, scaricato o semplicemente sprecato in “energia verde e gas di scarico pulito”. Il processo di Siniat richiedeva la fornitura continua di 5,8 MWth e 1,8 MWe. Dopo aver studiato le opzioni, l’azienda ha deciso di utilizzare la turbina a gas OP16 in modalità isola. I gas di scarico che lasciano la turbina a 575C sono canalizzati direttamente agli essiccatori e ai calcinatori. Come risultato, l’efficienza elettrica e termica totale dell’impianto supera l’85%. I gas di scarico contengono il 15% di O 2, il che permette di applicare facilmente la post-combustione all’ingresso dell’essiccatore, se è richiesta una potenza termica supplementare. Inoltre, l’unità è stata installata in sole due settimane nella stessa area di una vecchia turbina a gas radiale già esistente. ■
-Aaron Larson è l’editore esecutivo di POWER.