Cicli Brayton

Il ciclo Brayton è un ciclo adatto per essere utilizzato con fonti di calore ad alta temperatura, ad esempio il calore di combustione [35]. Questo ciclo può essere chiuso o aperto ed è composto da un compressore, una camera di combustione o una fonte di calore esterna, una turbina e un dissipatore freddo. Il fluido di lavoro viene pressurizzato nel compressore e inviato alla camera di combustione, dove idealmente la temperatura viene aumentata a pressione costante. Successivamente, il gas viene espanso attraverso una turbina che aziona il compressore e contemporaneamente produce energia elettrica. All’uscita dall’espansore, il fluido viene scaricato nell'atmosfera oppure viene fatto passare attraverso un dissipatore freddo per ridurre, idealmente, la temperatura a pressione costante.

Il ciclo Brayton rispetto al ciclo ORC ha una configurazione più semplice e un funzionamento più sicuro [37]. Tuttavia, la potenza netta in uscita dal ciclo Brayton è fortemente influenzata dall’elevato consumo energetico del compressore, che può rappresentare più di un terzo della potenza generata dalla turbina. Per questo motivo, nei cicli Brayton, l’energia fredda del GNL viene di norma utilizzata per ridurre il lavoro specifico richiesto dalla compressione attraverso il raffreddamento del gas in ingresso al compressore [35]. Questa diminuzione del lavoro è legata alla riduzione del volume specifico del gas, e permette di migliorare la potenza netta e l'efficienza termica del ciclo [37].

Per il ciclo Brayton semplice, fino ad ora, sono state proposte quattro soluzioni per lo sfruttamento dell’exergia fisica del GNL [35]:

− cicli Brayton aperti con raffreddamento dell’aria in ingresso al compressore;

− cicli Brayton chiusi con raffreddamento del gas in ingresso al compressore fino a temperature criogeniche;

− cicli Brayton con compressione a più stadi e interrefrigerazione; − cicli Brayton con tecnologia mirror gas turbine.

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Le soluzioni che prevedono l’intercooler o la tecnologia mirror gas turbine, sono fattibili sia nel ciclo Brayton aperto che chiuso [20]. Inoltre, tutte e quattro le soluzioni proposte permettono di migliorare l'efficienza complessiva del ciclo Brayton e possono essere combinate sia con il ciclo ad espansione diretta del gas naturale che tra loro.

• Cicli Brayton aperti con raffreddamento dell’aria in ingresso al compressore Questa soluzione, il cui schema è mostrato in figura 3.3, è stata ampiamente studiata.

Figura 3.3: Schema semplificato di un ciclo Brayton aperto con raffreddamento dell’aria [35].

Kim e Ro [41] hanno applicato questa soluzione ad un ciclo combinato, esaminando il relativo aumento di potenza in termini di temperatura ambiente e umidità dell’aria. In questo ciclo, il GNL è stato utilizzato per raffreddare l'aria in ingresso al compressore durante le stagioni calde ed il suo effetto è stato confrontato con il caso convenzionale. Kim e Ro hanno osservato che un aumento di 10 °C della temperatura dell’aria, rispetto alla temperatura di progetto, provoca una riduzione della potenza di circa il 6%. In questo studio, grazie all'implementazione del raffreddamento dell'aria, è stato possibile ottenere un incremento della potenza superiore all'8% in condizioni di aria secca e del 6% in presenza del 60% di umidità relativa. Quindi, hanno concluso che la presenza nell’aria di un'umidità relativa più bassa fornisce un aumento maggiore della potenza.

Arsalis e Alexandrou [42] hanno utilizzato l'energia fredda del GNL per diminuire la temperatura dell'aria in ingresso ad un ciclo Brayton aperto, che è stato combinato con i sistemi di teleriscaldamento e raffrescamento. Anche qui l’effetto del raffreddamento è stato confrontato con il caso convenzionale, ed è stato verificato un incremento del rendimento di secondo principio del 25%, con un conseguente risparmio di energia primaria del 41,8% e una riduzione delle emissioni di CO2 del 38,9%.

Un metodo alternativo per il raffreddamento dell'aria in ingresso al compressore, rispetto allo scambio di calore diretto con il GNL, prevede l’utilizzo di un fluido termovettore intermedio tra il GNL e l'aria aspirata, che tipicamente è una miscela di glicole [35].

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• Cicli Brayton chiusi con raffreddamento del gas in ingresso al compressore fino a

temperature criogeniche

In questo caso il GNL può essere sfruttato come dissipatore di calore nel ciclo Brayton chiuso, come mostrato in figura 5.4, prima del ritorno del gas al compressore.

Figura 3.4: Schema semplificato ciclo Brayton chiuso con raffreddamento del fluido di lavoro ed espansione diretta del gas naturale [35].

In questo ciclo, a seguito dello scambio di calore che avviene nello scambiatore posto dopo la turbina, l'exergia fisica di temperatura del GNL diventa calore sensibile da trasferire al gas, in quanto il fluido di lavoro del ciclo Brayton non subisce nessun passaggio di stato. Questo fatto permette di realizzare un miglior accoppiamento tra le curve di scambio, riducendo così le irreversibilità prodotte dal trasferimento di calore e aumentando l'efficienza exergetica del processo [35].

La scelta del fluido di lavoro dipende da molti fattori. Idealmente un fluido ottimale dovrebbe: essere stabile alle alte temperature; avere una temperatura critica bassa, meglio se inferiore alla temperatura del GNL; essere non tossico, non corrosivo, non infiammabile e disponibile ad un costo ragionevole. Azoto, idrogeno, elio, argon, metano ed etano sono i fluidi di lavoro più comunemente utilizzati nei cicli Brayton chiusi. Invece, l'aria e l'ossigeno tipicamente vengono esclusi, poiché possono presentare rischi di esplosione in presenza di perdite di gas naturale nello scambiatore di calore [35].

Gomez et al. [43] hanno accoppiato un ciclo Brayton chiuso, che utilizza come fluido di lavoro l’elio, e la diretta espansione del gas naturale per generare energia elettrica. Tutta l'exergia recuperabile dal GNL viene utilizzata per aumentare l'efficienza dell’impianto, che arriva ad avere un valore del 65%. In questo processo il GNL viene utilizzato anche per la cattura della CO2 attraverso la condensazione dei fumi. Questo permette di ottenere delle

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Dispenza et al. ( [44], [45]) hanno studiato le prestazioni di un processo in cascata costituito da un ciclo Brayton aperto e da un ciclo Brayton chiuso (figura 3.5). Il GNL è stato utilizzato come dissipatore di calore nel ciclo Brayton chiuso ad elio, mentre l’aria in ingresso al ciclo Brayton aperto viene raffreddata con l’acqua di mare in uscita dal vaporizzatore ORV. Il ciclo Brayton chiuso lavora tra la temperatura più alta di 579 °C, ottenuta utilizzando come fonte di calore esterna i fumi uscenti dal ciclo Brayton aperto, e la temperatura più bassa di -129 °C. La capacità elettrica dell'impianto è risultata pari a 0,38 kWh/kg di GNL, mentre l'efficienza termica è stata del 69% e quella exergetica del 49%. Successivamente, queste prestazioni sono state confrontate con le prestazioni dello stesso processo, ma utilizzando come fluido di lavoro l’azoto al posto dell’elio. Dispenza et al. hanno concluso che, una maggiore efficienza exergetica si ottiene utilizzando l’elio con un rapporto di compressione inferiore a quello dell'azoto. Infine, è stata effettuata sia un’analisi economica che ambientale dei due impianti. Dal confronto tra le emissioni di CO2 prodotte dai due impianti, rispetto al valore medio

italiano, è risultato un risparmio pari a 26,71 kt nel caso dell’elio e di 6,49 kt per l’azoto.

Figura 3.5: Schema semplificato del processo con due cicli Brayton in cascata [44].

Morosuk e Tsatsaronis [46] hanno discusso la convenienza di installare un'unità di espansione diretta del gas naturale in un impianto che combina un ciclo Brayton aperto e uno chiuso, per l'utilizzo dell’exergia del GNL. Il ciclo Brayton chiuso utilizza come fluido di lavoro l’azoto e lavora tra la temperatura di 435 °C, ottenuta grazie ai fumi in uscita dal ciclo Brayton aperto, e la temperatura di -129 °C, ottenuta utilizzando come dissipatore di calore il GNL. Nel caso senza espansione diretta del gas naturale, la capacità di rigassificazione dell'impianto aumenta, così come il rendimento energetico, che è pari al 78,1% (considerando il calore

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assorbito dal GNL come potenza utile dell'impianto), mentre la potenza elettrica prodotta rimane pressoché invariata e il rendimento exergetico diminuisce (52,1%).

• Cicli Brayton con compressione a più stadi e interrefrigerazione

Come mostrato in figura 5.6, in questo caso l'exergia del GNL può essere utilizzata per raffreddare il gas tra più stadi di compressione, in modo da ridurre la potenza di compressione richiesta.

Figura 3.6: Schema semplificato di un ciclo Brayton chiuso con due stadi di compressione e interrefrigerazione [35]. Bisio e Tagliafico [47] propongono un impianto come quello mostrato in figura 3.6, in cui l’exergia fisica del GNL viene utilizzata per diminuire il lavoro richiesto dalla compressione grazie al raffreddamento del fluido, sia prima dell’ingresso nel compressore che tra i due stadi di compressione. In questo processo, come sorgente di calore vengono utilizzati i fumi provenienti da un impianto di sinterizzazione e come fluido di lavoro l’azoto. L'efficienza exergetica di questo ciclo risulta pari al 45,9%.

• Cicli Brayton con tecnologia mirror gas turbine

La tecnologia mirror gas turbine può essere considerata come un innovativo ciclo combinato, costituito da un ciclo Brayton come ciclo top e da un ciclo Brayton invertito come ciclo bottom.

Kaneko et al. [48] hanno proposto un impianto che combina la tecnologia mirror gas turbine con l’espansione diretta del gas naturale, come mostrato in figura 3.7. In questa soluzione il GNL viene utilizzato per raffreddare i gas di scarico, introducendo una interrefrigerazione a tre stadi al fine di aumentare il lavoro utile dell’impianto. Infatti, questo raffreddamento, sia in ingresso al primo stadio di compressione del ciclo Brayton invertito che attraverso i tre stadi di interrefrigerazione, permette di ridurre il lavoro di compressione del secondo ciclo,

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incrementando in modo significativo il lavoro utile prodotto attraverso l’espansione sub- atmosferica dei fumi. In particolare, una certa quantità di energia dei gas di scarico (tra il 7% e il 20%) può essere convertita in lavoro utile determinando un miglioramento del rendimento energetico di oltre il 25%.

Figura 3.7: Schema semplificato ciclo Brayton aperto con tecnologia mirror gas turbine [48].