Cicli ORC (Organic Rankine cycle)

Il ciclo ORC è un ciclo termodinamico adatto allo sfruttamento di un'ampia gamma di fonti di calore a bassa temperatura (acqua di mare, calore di scarto di bassa qualità, energia solare, energia geotermica, ecc.). Questo ciclo è costituito da quattro componenti principali: una pompa, un evaporatore, un espansore e un condensatore. Il fluido di lavoro, in condizioni di liquido sottoraffreddato, viene portato ad alta pressione attraverso la pompa e mandato all’evaporatore dove, grazie allo scambio con la sorgente di calore, si ha il passaggio di stato da liquido a vapore. Successivamente, il vapore viene fatto passare in un espansore dove genera potenza meccanica, per poi essere mandato al condensatore dove ritorna allo stato liquido.

Nei cicli ORC il GNL può essere utilizzato come dissipatore di calore nel processo di condensazione, dove l’exergia fisica di temperatura del GNL viene sfruttata per condensare il fluido di lavoro e contemporaneamente rigassificare il GNL. Il recupero dell’exergia fisica di temperatura dal GNL permette di migliorare il rendimento del ciclo, grazie alla possibilità di diminuire la pressione all’uscita della turbina [35]. Tuttavia, affinché sia possibile effettuare questo recupero, è necessario che il ciclo ORC utilizzi un fluido di lavoro a bassa temperatura di ebollizione. A tale scopo, molti studi riguardanti questo ciclo, oltre che sulla configurazione impiantistica, si sono concentrati anche sulla selezione del fluido di lavoro al fine di massimizzare l'utilizzo dell'energia fredda [37].

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La scelta del fluido di lavoro è fondamentale per una corretta progettazione del ciclo ORC. Un buon fluido di lavoro deve avere: un basso punto di congelamento; un’adeguata stabilità chimica nell’intervallo di temperature scelto; un elevato calore specifico; un basso volume specifico; un basso impatto ambientale. Inoltre, non deve essere tossico, infiammabile o corrosivo e deve essere prontamente disponibile ad un prezzo contenuto [35]. La tabella 3.1 mostra una lista dei fluidi che è possibile utilizzare in cicli ORC che prevedono il recupero dell’exergia fisica dal GNL.

Tabella 3.1: Caratteristiche fisiche, ambientali e di sicurezza dei fluidi di lavoro per cicli ORC [35].

Per la rigassificazione del GNL sono state proposte numerose configurazioni di cicli ORC, classificabili nelle seguenti categorie:

− cicli Rankine organici semplici; − cicli Rankine organici recuperativi; − combinazioni di cicli Rankine organici.

Anche i cicli Rankine a vapore possono essere utilizzati per il recupero dell’exergia dal GNL, ma in questo caso è necessario ricorrere ad un ciclo intermedio, generalmente un ciclo ORC, che colleghi il ciclo Rankine a vapore e il vaporizzatore del GNL.

Tutte le configurazioni precedentemente elencate possono essere combinate con il ciclo ad espansione diretta del gas naturale, per recuperare anche l'exergia fisica di pressione del GNL [20]. In figura 3.8 sono mostrate le configurazioni di base del ciclo ORC semplice e rigenerativo.

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Figura 3.8: Schema semplificato di un ciclo ORC semplice (a) e rigenerativo (b) [35].

L’aggiunta del rigeneratore, rispetto al ciclo semplice, permette di ottenere un rendimento maggiore e di ridurre il calore dissipato nel condensatore. In presenza del GNL, questo permette di aumentare il rapporto tra la portata del fluido di lavoro e quella del GNL, portando ad un aumento della potenza specifica dell’impianto di rigassificazione. Inoltre, per aumentare il rendimento del ciclo, è possibile introdurre un riscaldatore aggiuntivo ad acqua di mare tra la pompa e il rigeneratore [35].

Angelino e Invernizzi [49] hanno studiato un ciclo ORC rigenerativo, sia con che senza il riscaldatore ad acqua di mare. Come fluido di lavoro è stata utilizzata l’anidride carbonica, con la quale è stato possibile realizzare un ciclo transcritico. Grazie al suo comprovato utilizzo, sia con basse temperature di condensazione che con alte temperature di evaporazione, la CO2 si

presta bene a questo tipo di applicazioni. Tuttavia, un limite di questo fluido è il suo punto triplo a -57 °C, che impedisce di andare oltre la temperatura di condensazione di -50 °C. In questo ciclo, grazie all’aggiunta del riscaldatore ad acqua di mare, è stato verificato un aumento dell’efficienza dal 46,3% (del ciclo con solo rigeneratore) al 51%.

Ferreira et al. [50] hanno studiato un eventuale upgrading dell'impianto di rigassificazione di Sines (Portogallo) confrontando il risparmio energetico ottenuto con un'unità di espansione diretta del gas naturale con quello di un semplice ciclo ORC e con quello ottenuto dalla combinazione di entrambi. Come fluidi di lavoro nel ciclo ORC sono stati studiati propano, etano, anidride carbonica, R134a, R143a e propene. Quest’ultimo è risultato il miglior candidato per la produzione di potenza, sia nel caso del ciclo ORC che del ciclo ORC+DE. In particolare, nel caso del ciclo ORC, in cui si utilizza acqua di mare come fonte di calore, il lavoro specifico è risultato pari a 0,136 kWh/kg di GNL. L'aggiunta dell’espansione diretta del

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gas naturale non determina un incremento significativo della potenza netta, a causa del lavoro aggiuntivo richiesto per portare il GNL ad alta pressione.

Negli ultimi anni sono stati condotti numerosi studi sul ciclo Rankine transcritico a CO2, ma

solo pochi di questi hanno esaminato le prestazioni di tali cicli in condizioni di off-design. Come già enunciato, con il ciclo ORC è possibile recuperare l’exergia dal GNL utilizzando fonti di calore a media e bassa temperatura, come l'energia solare, l'energia geotermica e il calore di scarto industriale. Tuttavia, queste fonti hanno caratteristiche variabili nel tempo, che non consentono al sistema di generazione di funzionare sempre nelle condizioni di progetto. Questo rende di estrema importanza lo studio del comportamento del ciclo in condizioni diverse.

Wang et al. ( [51], [52]) hanno proposto un ciclo Rankine semplice transcritico a CO2, che

utilizza il GNL come sorgente fredda e l’energia geotermica come sorgente calda. Su questo ciclo, in prima battuta sono state condotte analisi termodinamiche e di ottimizzazione in condizioni di design, allo scopo di studiare l’influenza di alcuni parametri sulle prestazioni del sistema. I risultati hanno mostrato che un aumento della pressione e della temperatura di ingresso della CO2 in turbina, porta ad un miglioramento dell'efficienza di conversione

energetica; mentre la superficie di scambio termico richiesta aumenta con l'efficienza del ciclo. Successivamente, su questo ciclo è stato effettuato uno studio al variare della portata massica e della temperatura della sorgente di calore. In questo caso, è stato scoperto che, con la diminuzione della portata massica e della temperatura della sorgente termica, la potenza netta del sistema diminuisce e di conseguenza anche il rendimento exergetico si riduce rispetto al valore in condizioni di progetto.

Un altro studio in condizioni di off-design è stato condotto da Xia et al. [53]. Essi hanno proposto un ciclo Rankine semplice transcritico a CO2 che utilizza come sorgente di calore

l’aria ambiente e come sorgente fredda il GNL. Dallo studio delle prestazioni della pompa, della turbina e degli scambiatori di calore al variare della portata e della temperatura dell’aria, è risultato che, al diminuire di quest’ultimi, l'energia fredda recuperata dal GNL, la potenza netta e l'efficienza termica del ciclo diminuiscono fino ad un massimo, rispettivamente, del 20%, 60% e 47% rispetto alle condizioni di progetto.

Lo studio di Baldasso et al. [54], invece, mira a confrontare sei diverse configurazioni di cicli ORC, sia in condizioni di design che di off-design, al fine di valutare il risparmio di carburante che si ottiene a bordo di una nave alimentata a gas naturale liquefatto. Il ciclo ORC utilizza come sorgente di calore i fumi di scarico del motore a bordo della nave e come sorgente fredda il GNL.

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Negli anni sono stati studiati anche cicli ORC combinati. Quando la sorgente di calore è disponibile ad alta temperatura l’utilizzo di un singolo ciclo ORC non risulta la scelta più efficiente dal punto di vista termodinamico. Questa minore efficienza è legata alle caratteristiche dei fluidi di lavoro, i quali, sebbene consentano di recuperare in modo efficace l’exergia fisica di temperatura del GNL, non possono arrivare a temperature di lavoro elevate [35]. In figura 3.9 sono mostrate due diverse tipologie di cicli ORC combinati, che si differenziano in funzione di come vengono disposti i due cicli ORC.

Figura 3.9: Schema semplificato di un ciclo ORC combinato a cascata (a) e di un ciclo ORC combinato con uguale temperatura della sorgente calda e diversa temperatura della sorgente fredda (b) [35].

La prima tipologia di ciclo ORC combinato, mostrato in figura 3.9(a), prevede l’utilizzo di più cicli ORC in cascata, dove il condensatore del ciclo superiore viene utilizzato come evaporatore del ciclo inferiore. In molti casi il ciclo superiore è un ciclo Rankine a vapore oppure un ciclo ORC a etano o ammoniaca. Come ciclo inferiore è necessario utilizzare un ciclo ORC con un fluido di lavoro caratterizzato da un punto di vaporizzazione più basso, come butano, propilene, etano o etilene [35]. Un impianto di questo tipo è stato proposto da Oliveri et al [55], i quali hanno studiato un ciclo combinato costituito da due cicli Rankine in cascata e dall’espansione diretta del gas naturale. Il ciclo superiore è un ciclo Rankine a vapore alimentato dal calore di scarto a 400 °C proveniente da un impianto di incenerimento; mentre il ciclo inferiore utilizza come fluido di lavoro l'ammoniaca e sfrutta il GNL come sorgente fredda nel condensatore. L’impianto proposto genera un incremento sia del rendimento energetico che della produzione di energia elettrica, rispettivamente dell’11,6% e del 60,7%,

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rispetto al normale impianto di incenerimento dei rifiuti. Inoltre, la portata dell'acqua di mare è stata ridotta del 67% rispetto all'impianto di rigassificazione senza recupero di exergia fisica dal GNL.

La seconda tipologia di ciclo ORC combinato, mostrata in figura 3.9 (b), prevede che i due cicli ORC siano alimentati dalla stessa sorgente calda alla medesima temperatura mentre la temperatura di condensazione può essere diversa per ciascun ciclo. Ferreiro García et al. [56] hanno studiato un impianto composto da due cicli ORC transcritici e dal ciclo ad espansione diretta del gas naturale. Come fluidi di lavoro i due cicli ORC utilizzano argon e metano, mentre come sorgente calda utilizzano l’acqua di mare e come sorgente fredda il GNL. Dallo studio di questo impianto è risultata una potenza netta di 235 kW/kg di GNL e un rendimento exergetico del 42,7%.