4. Studio di sistemi e soluzioni per la media temperatura
4.1. Applicazioni esistenti e future del MTTES
Partendo dall’utilizzo di calore di processo a media temperatura, le applicazioni a livello industriale sono innumerevoli e difficilmente elencabili in modo esaustivo. Si tenta di raccoglierne un campione rappresentativo in fig. 4.1 [21].
E’ inutile sottolineare l’importanza che possono avere i sistemi di accumulo termico in questi casi per ottenere una regolarità della produzione del calore alla temperatura richiesta e un risparmio energetico mediante la funzione di buffer o consentendo un dislocamento del periodo di distribuzione (vedi cap. 2). Per quanto riguarda il serbatoio di accumulo, le
sue caratteristiche possono variare sensibilmente a seconda dell’applicazione considerata, delle temperature in gioco, dello spazio disponibile e del tempo di accumulo richiesto.
Fig. 4.1 – Temperature necessarie per tipici processi industriali tra 80 e 250°C [21].
Un’altra applicazione estremamente interessante e promettente, già accennata nei precedenti capitoli, è il solar cooling, con scopi finali di condizionamento o refrigerazione. Partendo da quanto già ampiamente descritto al § 3.2.4 [11,12,21], si provi a pensare alla possibilità di distribuire un fluido a media temperatura attraverso una rete di teleriscaldamento, utilizzandola però nella stagione estiva, in combinazione con macchine frigorifere ad assorbimento localizzate a livello delle utenze per produrre freddo. In questo caso il sistema TES è pensabile sia a livello di singola utenza (accoppiato al chiller), sia a livello decisamente più ampio se pensato, ad esempio, come buffer di rete.
Un’applicazione immediata, già in qualche modo in fase di sviluppo, sono i forni solari [4,22], i quali rimangono tuttavia un caso abbastanza a sé stante che interessa impieghi rari in contesti di particolare isolamento da forniture energetiche di rete.
Il calore a media temperatura è applicato anche negli impianti di dissalazione dove, ancora una volta, l’accumulo termico potrebbe contribuire a livellare i carichi termici richiesti dai processi, così come prolungare il funzionamento degli impianti nell’arco della giornata.
Un’applicazione molto interessante, probabilmente tuttora non contemplata, potrebbe trovarsi nel recupero di energia nelle centrali gas [38]. Per focalizzare questo utilizzo se ne richiama brevemente il processo coinvolto.
Il trasporto di gas naturale dai centri di produzione e dai terminali d’importazione ai punti di consumo nel territorio avviene normalmente ad una pressione compresa tra 40 e 70 bar,
pressioni sufficientemente elevate per far fronte alle perdite di carico connesse con il trasferimento a grandi distanze di grosse portate. Alle utenze civili o industriali il gas viene normalmente consegnato a pressioni molto inferiori (5 bar) e la decompressione a tali valori di pressione può avvenire mediante una laminazione controllata (fig. 4.2), con una trasformazione totalmente dissipativa.
Fig. 4.2 –Processi di laminazione controllata e turbo-espansione monostadio nella regolazione della pressione nelle centrali gas.
Per salti di pressione elevati, tuttavia, è necessario preriscaldare il gas per evitare che questo, per effetto Joule-Thompson, scenda eccessivamente di temperatura in seguito all’espansione con la conseguente formazione di idrati di metano che potrebbero otturare le valvole dell’impianto di distribuzione. A questo punto, tramite una turbomacchina, si può procedere ad una trasformazione di espansione che recupera l’energia di pressione posseduta dal gas evitando la laminazione dissipativa, e ottenendo allo stesso tempo una potenza meccanica sfruttabile per la produzione di energia elettrica. Attualmente, per evitare di riscaldare ulteriormente il gas prima di espanderlo, si procede ad una turbo-espansione multistadio in modo da mantenere la temperatura a livelli semplici da ottenere mediante una caldaia ad acqua ed uno scambiatore, come illustrato in fig. 4.3. In alternativa, si sono adottati sistemi integrati di turbo-espansione cogenerativi, con motori
endotermici a gas che a loro volta producono energia elettrica e contemporaneamente preriscaldano il gas da espandere.
Fig. 4.3 –Processi di espansione pluristadio per la regolazione della pressione nelle centrali gas.
Se prima quindi si ottenevano risparmi energetici dell’ordine del 20-25% mediante la sola turbo-espansione, ora, affiancando la cogenerazione, il risparmio di energia primaria sale al 50-55%. Tuttavia, in entrambi i casi, si è costretti ad utilizzare parte del gas destinato alla distribuzione come combustibile per le caldaie o per i motori endotermici. A questo punto interviene la possibilità di ottenere un eccezionale risparmio pensando di installare un collettore solare a media temperatura ed un sistema di accumulo termico per preriscaldare il gas (fig. 4.4). Questo comporterebbe immediatamente due vantaggi: per prima cosa non verrebbe più utilizzato il gas come combustibile e in secondo luogo si potrebbe innalzare la temperatura del gas stesso fino a 160-180°C corrispondenti ad una espansione monostadio in turbina con rapporto di compressione pari circa a rp=8. La trasformazione seguirebbe quindi la curva 1-1”-2’ di fig. 4.2. Le emissioni di gas serra sarebbero in questo modo ridotte a zero, con massimo risparmio di combustibile e possibilità di una fonte costante di calore a media temperatura grazie alla funzione di buffering del TES installato.
Per concludere l’excursus sulle possibili applicazioni dell’accumulo termico a media temperatura, se ne vuole menzionare forse la più importante, sebbene apparentemente scontata: il recupero di calore di scarto da processi di vario tipo. Quest’energia termica, solitamente, non si trova a disposizione nel luogo giusto e al momento giusto per un suo riutilizzo. Per questo motivo l’impiego di TES per immagazzinare gli innumerevoli cascami termici a media temperatura renderebbe quest’energia disponibile, o addirittura trasportabile, fino all’impianto utilizzatore. Questo significa che la prospettiva d’uso dello stoccaggio termico, che spesso viene immaginata realizzarsi in combinazione con un impianto utilizzatore per un’immediata funzione di buffering o altro, si amplia all’installazione a valle di alcuni processi che producono calore, al solo fine di non perdere ciò che verrebbe altrimenti dissipato. L’utilizzo finale di quanto stoccato può in questo caso non venire considerato.