Improving efficiency of silicon production plants through waste heat recovery organic Rankine cycle technology. Thermodynamic analysis and economic assessment

The thesis investigates the use of a Waste Heat Recovery Organic Rankine Cycle in a ferrosilicon and silicon metal production facility. Heat introduction takes place via direct exchange between the exhaust gases of the furnace and the organic working fluid R1233zd, an innovative and high-performing refrigerant. A numerical model capable of optimizing cycles’ design configuration and predicting off-design operation has been implemented in MATLAB®, aiming at estimating the annual electric energy output. Then, a real case has been reproduced and studied, calibrating the model on real data from the existing plant. In order to optimize the annual electricity output, a control strategy for turbine’s inlet temperature has been investigated, improving electricity output by 1.44% with respect to constant temperature regulation. Eventually, a detailed economic study has been carried out, investigating two different contractual schemes, comparing a standard EPC investment to a deconsolidated one under the ESCO model. Indicators as NPV, IRR, DPB and annual savings have been considered. The EPC case turned out to be always profitable, while the ESCO one became competitive with incentives only.

Il presente lavoro di tesi studia l’utilizzo di un Ciclo Rankine Organico a recupero applicato ad un sito industrial di produzione di silicio metallico. L’introduzione di calore avviene via scambio diretto tra i gas esausti provenienti dalla fornace e il fluido organico di lavoro R1233zd, un refrigerante innovativo e ad alte prestazioni. È stato sviluppato un modello numerico capace di ottimizzare la configurazione di progetto del ciclo e di predirne il funzionamento in fuori progetto, con l’obiettivo di stimare la produzione annua di energia elettrica. Quindi, un caso reale è stato riprodotto e studiato, tarando il modello su dati reali dell’impianto esistente. Al fine di ottimizzare l’energia elettrica annua, è stata studiata una strategia di controllo della temperatura di ingresso turbina, migliorando di 1.44% l’energia elettrica prodotta rispetto al caso a temperatura costante. Infine, è stato condotto uno studio dettagliato di fattibilità economica, analizzando due diversi schemi contrattuali, comparando un investimento standard in EPC con uno schema deconsolidato secondo il modello ESCO. Indicatori quali NPV, IRR, DPB e risparmio annuale sono stati considerati. Il caso EPC è risultato sempre profittevole, mentre il modello ESCO è risultato competitivo solo in presenza di incentivi.