Gli studi ultimamente effettuati coprano una vasta gamma di fluidi di lavoro, ma attualmente in applicazioni commerciali degli ORC sono utilizzati principalmente pochi fluidi, che sono:
HCFC-134a Usato in impianti geotermici o a temperatura molto bassa
HFC-245fa Fluido a bassa temperatura principalmente usato nel recupero del calore di scarto
n-pentano Usato nell’unico ORC solare commerciale, altri usi sono nella geotermia a media temperatura o nel recupero del calore di scarto
Solkatherm Recupero del calore di scarto
OMTS Impianti cogenerativi a biomassa
Toluene Recupero del calore
Nonostante la molteplicità di fluidi analizzati in letteratura, non è stato identificato un fluido che sia in generale migliore di altri nei sistemi ORC, questo principalmente anche a causa dei diversi metodi di analisi e ai diversi fattori presi in considerazione, i quali non sono univoci. Infatti, oltre agli aspetti termodinamici, è bene tenere conto anche di quelli ambientali ed economici legati al fluido utilizzato, non sempre presi in considerazione. Si può quindi solo stabilire una selezione di fluidi più adatti alle diverse temperature e campi operativi.
Vantaggio dei sistemi ORC è anche infatti il poter di volta in volta scegliere il fluido che meglio si accoppia alla temperatura e alla capacità termica della fonte di calore.
2.4. Applicazione dei sistemi ORC
Le principali applicazioni degli impianti ORC sono qui di seguito descritte, anche se quelle riportate si focalizzano sullo stato dell’arte e sui sistemi attualmente presenti sul mercato. Bisogna però rendere noto che diverse applicazioni innovative di impianti ORC sono in fase di studio, e sono ad esempio:
Sistemi ORC solari, dove l’energia prodotta viene sfruttata per il funzionamento della pompa di un impianto di desalinizzazione a osmosi inversa.
Sistemi di conversione dell’energia termica degli oceani, si utilizza con questi impianti il gradiente di temperatura (almeno 20°C) presente negli oceani per azionare un ciclo binario.
Produzione di freddo, dove l’energia all’albero prodotta dal sistema ORC viene usata per azionare il compressore di un sistema di refrigerazione.
CAPITOLO 2 - Cicli Rankine Organici
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2.4.1. Impianti cogenerativi a biomassa
Le biomasse sono prodotti di scarto risultanti da diversi processi industriali e agricoli, tali prodotti possono essere convertiti in elettricità tramite la loro combustione e conversione in calore, il quale viene poi trasformato in elettricità tramite un ciclo termodinamico.
Per impianti decentralizzati di piccola potenza il guadagno dalla sola generazione di energia elettrica non è però sempre competitivo e tale da assicurare un ritorno, per questo motivo è conveniente la produzione combinata di energia elettrica e calore. In questo modo si riescono ad ottenere rendimenti complessivi molto elevati.
La possibilità quindi di utilizzare anche il calore come prodotto è un grande vantaggio per sistemi ORC a biomassa, c’è però la necessità di una domanda di calore nelle vicinanze dell’impianto, che può essere sfruttato per processi industriali o per riscaldamento degli ambienti. A causa della difficoltà di trasporto del calore, dovuta agli elevati costi della rete di distribuzione, solitamente gli impianti cogenerativi a biomassa hanno potenze limitate a 6-10 MW termici, che corrispondono a 1-2 MW elettrici.
In questi impianti il calore
prodotto tramite la
combustione è ceduto dai gas caldi ad un fluido per il trasferimento del calore, olio diatermico, in due scambiatori di calore, ad una temperatura che varia tra i 150 e i 320°C.L’olio diatermico viene quindi mandato a scambiare con
l’ORC dove permette
l’evaporazione del fluido organico a temperature di circa 300°C. Il fluido evaporato viene espanso,
producendo energia,
successivamente viene fatto passare attraverso un recuperatore, per preriscaldare il liquido, ed infine viene condensato a circa 90°C. Il condensatore
è usato per la produzione di acqua calda.
Valori tipici di efficienza sono del 18% per l’efficienza elettrica, e dell’88% per la totale efficienza dell’impianto.
La principale tecnologia che compete con i sistemi ORC nella produzione di energia elettrica da biomasse è la gassificazione.
27 Figure 2.4-2 Diagramma flussi energetici di ORC a biomassa
2.4.2. Impianti per applicazioni geotermiche
Il calore geotermico è disponibile in un ampio campo di temperature, che vanno da poche decine di gradi fino a 300°C. Le attuali tecnologie permettono un limite inferiore per la generazione dell’energia elettrica a 80°C, al di sotto di questa temperatura l’efficienza si riduce troppo e viene meno il vantaggio economico di questi impianti.
Questi impianti però a seconda del caso possono richiedere elevati costi per la perforazione che possono arrivare fino al 70% del totale costo d’investimento. Sistemi ORC geotermici a bassa temperatura sono inoltre caratterizzati da elevati consumi degli ausiliari: le pompe hanno dei consumi che vanno dal 30% al 50% della totale potenza lorda prodotta.
Ricerche indicano come il potenziale per l’energia geotermica in Europa sia molto elevato per sorgenti a bassa temperatura. (Sylvain Quoilin a, 2013)
Potenziale per l’energia geotermica in Europa, per differenti intervalli di temperature della sorgente
Temperatura [°C] MWth MWe
65-90 147736 10462
90-120 75421 7503
120-150 22819 1268
150-225 42703 4745
225-350 66897 11150
CAPITOLO 2 - Cicli Rankine Organici
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2.4.3. Impianti ad energia solare
I sistemi a concentrazione solare sono una tecnologia ormai nota: il sole viene “inseguito” e la sua radiazione viene riflessa in un collettore solare lineare o puntuale, trasferendo in questo modo calore ad elevata temperatura ad un fluido termovettore. Questo calore è quindi usato in un ciclo termodinamico per produrre energia.
Tra queste tecnologie ci sono i concentratori parabolici lineari, che lavorano tipicamente con temperature comprese trai 300 e i 400°C. Fino ad ora tali sistemi sono principalmente accoppiati a tradizionali cicli Rankine a vapore per la generazione di energia elettrica, ma tramite l’accoppiamento con cicli organici si possono ridurre i costi d’investimento per impianti di taglie ridotte, e si possono così ridurre significativamente le potenze installate.
Sono però attualmente disponibili sul mercato solamente pochi impianti di questo tipo.
Figure 2.4-3 Schema impianto ORC a fonte solare
2.4.4. Recupero del calore di scarto WHS (Waste Heat Recovery)
Molti processi industriali producono calore di scarto a temperature relativamente basse, in impianti di grande scala questo calore è solitamente sovrabbondante e non può essere sempre reintegrato nel ciclo produttivo o utilizzato per il riscaldamento di edifici, e viene quindi rigettato all’atmosfera. Questo rilascio di calore in atmosfera causa però due tipi di inquinamento, che sono quello dovuto agli inquinanti presenti nei fumi al camino, come NOₓ, SOₓ, CO₂, HC, e quello dovuto al calore rilasciato, che va ad alterare l’ambiente naturale caratteristico in cui è situato l’impianto.
Il recupero di tale calore di scarto riduce questi due tipi di inquinamento, e inoltre permette la produzione di energia elettrica che può essere consumata in sito o venduta alla rete. Il calore di scarto in questi sistemi viene recuperato tramite uno scambiatore di calore o un sistema intermedio di recupero del calore, usato per riscaldare ed evaporare il fluido di lavoro dell’ORC.