Dispensa del corso di “SISTEMI ENERGETICI” Argomento: Sistemi Energetici (parte 3.2) - 4



Fluido vettore: olio diatermico a 250-300

°C 



Rigeneratore per recuperare parte del contenuto entalpico non 
sfruttato in turbina 

Esempio di ORC alimentato a biomasse e con impiego CHP civile 

Organic Rankine Cycle (ORC) 

Modulo ORC 

 

1  Economizzatore 

  5  Pompa   

  9 

Uscita acqua di condensazione 

2  Condensatore  

  6  Pre-riscaldatore 

  10  Ingresso olio diatermico 

3  Turbina  

  7  Evaporatore 

  11  Uscita olio diatermico 

4  Generatore elettrico    8  Ingresso acqua di condensazione 

 

 

 

Organic Rankine Cycle (ORC) 

Costo: 900 

÷

 2500 Euro/kW

e

 

Organic Rankine Cycle (ORC) 

ORC - Applicazioni 



Può essere conveniente soprattutto con biomassa solida e syngas 



Possibilità di recupero di calore scaricato da motori (ciclo combinato) 

ORC di piccola potenza 



Recentemente proposti ORC di taglie inferiori a 200 kW 

FreePower FP120 

Potenza termica ingresso 

kW 

742 

Potenza elettrica netta 

kW 

120 

Rendimento elettrico netto 

% 

16 

Potenza termica scaricata 

kW 

612 

Temperatura acqua per cogen 

°C 

64 

Temperatura fumi 

°C 

457 

Potenza termica ingresso acqua 

kW 

542 

Potenza elettrica netta 

kW 

50 

Rendimento elettrico netto 

% 

9 

Temperatura IN 

°C 

82-121 

Potenza termica ingresso fumi 

kW 

592 

Potenza elettrica netta 

kW 

50 

Rendimento elettrico netto 

% 

8.4 

Temperatura fumi 

°C 

200-500 

Micro Cicli Rankine 

Genlec - Energetix

 (UK) 

•

ORC 

•

espansore tipo scroll 

•

P

e

 = 1 kW

e 

, P

th

 = 10 kW

th

 

Cogen Microsystem

 (Australia)  

• H

2

O 

• espansore tipo scroll 
• P

e

 = 2.5 - 10 kW

e 

• P

th

 = 11 - 44 kW

th 

Otag

 (Germania)  

• H

2

O 

• espansore alternativo 
• P

e

 = 2.1 kW

e

 , P

th

 = 16 kW

th 

• In commercio dal 2006 

 



Celle a combustibile - Fuel Cell (FC) 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 

Tecnologie CHP a combustione interna 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 



Sistemi termoelettrici (TE) 

Tecnologie CHP a combustione esterna 

Prototipali 

Tecnologie CHP a combustione interna/esterna 



Ciclo combinato gas-vapore 



Ciclo combinato MCI-ORC 



Ciclo combinato MTG-ORC 

Le tecnologie 

Prototipali 

In fase di 

consolidamento 

Consolidate 

Il ciclo combinato gas-vapore 

Il ciclo combinato gas-vapore 

Il ciclo combinato gas-vapore 

•

Nr. 1 TG ANSALDO-SIEMENS V94.3A2,     P

e

 = 258 MW  

•

Nr. 1 TV  a condensazione e spillamenti,   P

e

 = 135 MW 

I   ammissione: p = 115      bar,   T = 538 

°C 

II  ammissione: p =   29      bar,   T = 540 

°C 

III ammissione: p =     7      bar,   T = 261 

°C 

Spillamento     : p =   11      bar 
scarico             : p =   0.06   bar 

•

Nr. 1 GVR a tre livelli di pressione 

(AP 117 bar, MP 31 bar, BP 7 bar) 

•

Nr. 1 TG GE MS6001FA,                  P

e

 = 68 MW 

•

Nr. 1 TV  a condensazione (TV1),   P

e

 = 23 MW 

ammissione: p = 82      bar,   T = 515 

°C 

scarico        : p =   0.06 bar 

•

Nr. 1 TV  a contropressione (TV2),  P

e

 = 11 MW 

ammissione: p = 80      bar,   T = 470 

°C 

scarico        : p =   3.5   bar 

•

Nr. 1 GVR a due livelli di pressione: 

(AP 84 bar, BP 4 bar) 

Il ciclo combinato gas-vapore 

•

Nr. 2 TG SIEMENS V94.2, (ciascuno)          P

e

 = 150 MW  

•

Nr. 1 TV  a condensazione e spillamenti,   P

e

 =   80 MW 

I  ammissione: p = 70      bar,   T = 530 

°C 

II ammissione: p =   2.2   bar,   T = 126 

°C 

I  spillamento : p = 42      bar 
II spillamento : p = 16      bar 
scarico            : p =   0.05 bar 

•

Nr. 2 GVR a tre livelli di pressione 

(AP 70 bar, MP 16 bar, BP 3 bar) 

Il ciclo combinato gas-vapore 



Celle a combustibile - Fuel Cell (FC) 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 

Tecnologie CHP a combustione interna 



Sistemi termofotovoltaici (TPV) 



Sistemi termoelettrici (TE) 

Tecnologie CHP a combustione esterna 

Prototipali 

Tecnologie CHP a combustione interna/esterna 



Ciclo combinato gas-vapore 



Ciclo combinato MCI-ORC 



Ciclo combinato MTG-ORC 

Le tecnologie 

Prototipali 

In fase di 

consolidamento 

Consolidate 

Il ciclo combinato MCI/TG-ORC 

motore primo 

Biogas, olio vegetale  



Il calore scaricato da MCI, TG e MTG ha ancora una temperatura 
sufficientemente elevata per poter essere sfruttata da un ciclo a vapore o 
da un ciclo ORC 



Per le taglie classiche della cogenerazione distribuita è più indicato l’ORC 



E’ necessario avere taglie dell’ordine del MW 



Accoppiamento tramite scambiatori di calore 

 

Motore a 

combustione 

interna

Digestori 1 e 2

Col

ture dedi

c

ate (Mai

s

)

Scambiatore 

fumi/olio 

diatermico

Scambiatore 

fumi/olio 

diatermico

Scambiatore 

fumi/olio 

diatermico

Scambiatore 

fumi/olio 

diatermico

Impianto

ORC

Trattamento 

biogas

(fumi)

(fumi)

(fumi)

Motore a 

combustione 

interna

Motore a 

combustione 

interna

Motore a 

combustione 

interna

Post-fermentatore

Fermentatori 1 e 2

Post-fermentatore

Fermentatori 1 e 2

Trattamento 

biogas

Trattamento 

biogas

Trattamento 

biogas

(fumi)

Energy UNO

Energy DUE

Energy TRE

Energy QUATTRO

Energia Elettrica

Energia Elettrica

Energia Elettrica

Energia Elettrica

Post-fermentatore

Fermentatori 1 e 2

Post-fermentatore

Fermentatori 1 e 2

Digestori 1 e 2

Energia Elettrica



Schema di ciclo combinato con più motori primi (MCI: 4 MW 

– ORC: 350 kW)

 

Il ciclo combinato con MCI 



Motori alternativi a combustione interna (MCI) 



Turbine a Gas (TG) e Micro Turbine a Gas (MTG) 

Tecnologie CHP a combustione interna 



Turbine a Vapore (TV)  



Motori Alternativi a Vapore (MAV)  



Cicli Rankine a fluido Organico (ORC) 



MTG a combustione esterna (EFMGT) 



Motori Stirling 

Tecnologie CHP a combustione esterna 

Consolidate 

Consolidate 

In fase di 

consolidamento 

Le tecnologie 



opera secondo un 

ciclo chiuso a gas

 (elio, azoto, aria) 



combustione esterna e continua (

libertà sulla scelta del 

combustibile

, minori emissioni gassose e sonore) 



calore introdotto e scaricato attraverso scambiatori di calore 



rigenerazione completa del calore lungo le isocore 

η

t

 = 1 - (T

min

/T

max

) rendimento del ciclo termodinamico ideale 

T

max 

T

min 

Motori Stirling 

V=cost 

V=cost 

V=cost 

V=cost 

1-2 

2-3 

3-4 

4-1 

Motori Stirling 



possibile recupero di flussi termici 
a bassa temperatura (250 °C) 



taglie fino a qualche decina di kW

e

 





e

=10-35 % 

Motori Stirling 



elevati tempi di avviamento 



complessità e varietà di 
architetture 



costi 



 

3000 

€/kW

e 

Motori Stirling 



possibile recupero di flussi termici 
a bassa temperatura (250 °C) 



taglie fino a qualche decina di kW

e

 





e

=10-35 % 

                

a                      b                       g  

a guida cinematica 

Motori Stirling 

              

                

a pistoni liberi 

Motori Stirling 

 

 



variazione del volume 
continua (e non discontinua); 



introduzione e scarico calore 
attraverso scambiatori di 
calore esterni; 



spazio morto (rigeneratore, 
tubi, scambiatori) che riduce 
il rapporto di compressione; 



perdite di calore e inerzia 
termica del rigeneratore; 



perdite di pressione  
attraverso gli scambiatori ed 
il rigeneratore; 



trafilamenti tra cilindro e 
pistone; 



attriti meccanici; 



ecc.  

Motore Stirling: ciclo ideale vs reale 

η

b

 

= 0.85-0.92  rendimento del bruciatore 

η

t

 

= 0.65-0.72  rendimento del ciclo 

termodinamico ideale 

η

i

 

= 0.24-0.63  rendimento indicato   

(rapporto tra lavoro dei 
cicli di indicatore reale e 
ideale) 

η

m

   = 0.75-0.95  rendimento meccanico 

η

o

   = 0.85-0.90  rendimento organico 

η

gen.el.

= 0.96-0.98 rendimento del 

generatore elettrico 

35

.

0

08

.

0

gen.el.

o

m

i

t

b

fuel

e

e























P

P

Motore Stirling: ciclo ideale vs reale 

Caso di motore Stirling con rendimento 20 % (rappresentativo) 

Motore Stirling

Energia el.

H2

O all’utenza

Raffreddam.
motore

Fumi

H2

O dall’utenza

Combustibile

Aria

Combustibile

Caldaia integrativa

50-60°C

Recupero termico

(con condensazione)

10 kWh 

(11.1 kWh PCS)

7.7 kWh 

2 kWh 

0.9 kWh

Perdite 

0.5 kWh 

Cogenerazione con motori Stirling 

Disenco 

• P

e

 = 3 kW

e 

• P

th

 = 12-18 kW

th

 

•  η

U

 = 92 % 

 

www.disenco.com 

Motori Stirling 

Infinia 

• P

e

 = 1 kW

e 

• P

th

 = 6.4 kW

th 

•  η 

e

 = 12.5 %

 

•  η 

th

 = 80.0 % 

•  η 

U

 = 92.5 % 

www.infiniacorp.com 

 

Motori Stirling 

Infinia 

• P

e

 = 1 kW

e 

• P

th

 = 6.4 kW

th 

•  η 

e

 = 12.5 %

 

•  η 

th

 = 80.0 % 

•  η 

U

 = 92.5 % 

www.infiniacorp.com 

 

Motori Stirling 

Infinia 

– applicazione solare 

P

e

 = 3 kW

e 

(specchi puliti, T

amb

 = 20 °C, insolazione 850 W/m

2

) 

 

 

 

www.microgen-engine.com 

Motori Stirling 

Microgen 

• P

e

 = 1 kW

e 

• P

th

 = 6 kW

th 

•  η 

e

 = 13.5 %

 

•  η 

th

 = 81.1 % 

•  η 

U

 = 94.6 % 

 

Microgen 

• P

e

 = 1 kW

e 

• P

th

 = 6 kW

th 

•  η 

e

 = 13.5 %

 

•  η 

th

 = 81.1 % 

•  η 

U

 = 94.6 %c 

 

 

www.microgen-engine.com 

Motori Stirling 

Microgen 

– applicazione solare