Conclusioni - Ottimizzazione di un modulo ORC per il recupero del calore di scarto di una micro

Nel presente lavoro, è stata analizzata la possibilità di incrementare le prestazioni di un impianto di cogenerazione esistente, provvisto di una microturbina da 600 kWe alimentata a

biogas, utilizzando un modulo ORC per lo sfruttamento del calore residuo dei gas di scarico. La disposizione d’impianto ha previsto l’utilizzo di un circuito intermedio di olio diatermico, in grado di trasportare in modo efficiente il calore dalla sorgente al fluido organico e, successivamente, ai fanghi in ingresso ai reattori, per il mantenimento della temperatura ottimale del processo di digestione anaerobica. Per quanto riguarda il ciclo Rankine organico, si è optato per una configurazione subcritica, con rigenerazione interna, risultata conveniente nel caso in questione dovendo utilizzare i gas di scarico, non solo per l’alimentazione dell’ORC, ma anche per soddisfare la richiesta termica da parte dei digestori anaerobici. Il fluido operativo selezionato corrisponde all’R245fa, appropriato in termini sia economici, sia prestazionali.

Per ottenere un dimensionamento preliminare dell’impianto in analisi, ne è stato costruito il modello all’interno dell’ambiente di lavoro MATLAB, implementando un problema di ottimizzazione vincolata, la cui risoluzione ha permesso di ottenere la migliore configurazione in grado di massimizzare la potenza elettrica netta producibile dall’ORC. Affinché sia possibile individuare una configurazione fisicamente realizzabile, sono state imposte le condizioni limite da rispettare nell’impianto mediante vincoli lineari e non lineari, posti principalmente sulle temperature massime e minime di esercizio per i fluidi utilizzati, sui pinch point ammissibili negli scambiatori e sulla massima efficacia degli stessi.

Il dimensionamento dell’impianto è stato effettuato sulla base dai valori di design scelti per le condizioni al contorno del sistema, corrispondenti alla portata e alla temperatura dei gas di scarico e alla potenza termica richiesta dai fanghi. Privilegiando l’operatività dell’impianto, è stato deciso di determinare i valori delle condizioni al contorno corrispondenti alle condizioni di lavoro che si ripetono con maggiore probabilità nel corso dell’anno. Per effettuare ciò, è stato implementato in ambiente MATLAB un codice che permettesse di eseguire il clustering delle terne di dati, in modo da tener conto della correlazione che sussiste tra di essi.

I valori ottenuti dal problema di ottimizzazione implementato in MATLAB costituiscono la base di partenza per la modellazione del sistema all’interno dell’ambiente di simulazione

86 Aspen HYSYS. Esso consente di effettuare il dimensionamento dettagliato dei vari componenti, introducendo le geometrie degli scambiatori di calore e le curve di prestazione della turbina e delle pompe, potendo usufruire di una estesa libreria di dispositivi presenti attualmente in commercio. Ciò ha permesso di ottenere una maggiore accuratezza dei risultati e di poter analizzare il comportamento del sistema al di fuori delle condizioni progettuali. L’analisi in off-design è stata effettuata in condizioni stazionarie, utilizzando la strategia di controllo sliding pressure, nella quale l’ORC si adatta alla variazione del carico mediante la variazione della pressione di evaporazione, massimizzando la potenza elettrica netta prodotta. Ipotizzata la pressione di condensazione costante, una riduzione della pressione di evaporazione comporta un incremento del grado di surriscaldamento in uscita dall’evaporatore e, quindi, a fine espansione, evidenziando la convenienza dell’utilizzo di un rigeneratore.

Le simulazioni hanno mostrato come la potenza elettrica netta prodotta dall’ORC aumenti all’aumentare della portata e della temperatura dei fumi e al diminuire della potenza termica richiesta dai fanghi. A parità di dette condizioni, una diminuzione della temperatura ambiente comporta un incremento lieve della potenza generata, rispetto alle variazioni indotte dai cambiamenti delle altre condizioni al contorno.

A partire dai risultati ottenuti dalle simulazioni effettuate in condizione di off-design, è stato possibile implementare un codice in MATLAB che permettesse di stimare la potenza elettrica netta prodotta dall’ORC nel corso dell’anno, in funzione delle medie orarie dei dati d’impianto in possesso, tenendo conto che la potenza nominale del modulo ORC è pari a 53,35 kW e supponendo che l’impianto venga fermato per una produzione di potenza elettrica inferiore ai 10 kW. L’alto numero di ore equivalenti di funzionamento dell’impianto ha confermato la bontà del dimensionamento effettuato e la correttezza della scelta del punto progettuale. Determinate le specifiche dell’ORC, è stato possibile confrontare le prestazioni tra l’impianto originale e l’impianto proposto, riscontrando un incremento di efficienza del 3,31% e di energia elettrica prodotta annua del 10%.

Infine, ipotizzando un costo specifico d’impianto pari a 4350 $/kW e supponendo che l’energia elettrica prodotta venga interamente autoconsumata, è stata effettuata un’analisi economica semplificata del modulo ORC, per una vita utile di 20 anni. Essa ha evidenziato la convenienza economica dell’investimento, essendo l’impianto caratterizzato da un basso valore di LCOE, un VAN più che positivo ed un breve tempo di ritorno.

87 In conclusione, il modulo ORC analizzato nel presente elaborato risulta essere una valida soluzione, sia in termini prestazionali, sia economici, per la valorizzazione del calore di scarto della microturbina alimentata a biogas considerata.

Tra i possibili sviluppi futuri, si propone un’analisi dettagliata del circuito di refrigerazione dell’ORC, valutando la possibilità di recuperare il calore residuo dell’acqua in uscita dal condensatore per un eventuale preriscaldamento dei fanghi, in modo da incrementare la quantità di energia termica disponibile per il ciclo organico.

Appendice

II – TEMA Sheet Evaporatore ORC

III – TEMA Sheet Rigeneratore ORC

IV – TEMA Sheet Condensatore ORC

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Ringraziamenti

In primo luogo, desidero ringraziare il Prof. Lorenzo Ferrari per avermi concesso l’opportunità di svolgere questo lavoro di tesi sotto la sua guida. La mia gratitudine va, inoltre, al Dott. Andrea Baccioli e al Dott. Guido Francesco Frate, per la grande disponibilità e comprensione mostrata nel risolvere ogni mio dubbio, indirizzandomi in ogni fase dello svolgimento del lavoro, con preziosi consigli ed insegnamenti.

Ringrazio di cuore i miei genitori, punti di riferimento costanti della mia vita, per essermi sempre stati vicini durante questo lungo percorso, incoraggiandomi nei momenti difficili e condividendo le gioie e i traguardi raggiunti.

Un ringraziamento speciale va a Giorgio, che con estrema pazienza ha sopportato i miei sbalzi d’umore e le mie ansie, consolandomi e riportandomi il sorriso anche nei momenti più tristi.

Un grande ringraziamento va ai miei nonni, che hanno sempre creduto in me.

Inoltre, desidero ringraziare tutti i miei amici e i colleghi universitari, per i bei momenti condivisi in questi lunghi anni.

Nel documento Ottimizzazione di un modulo ORC per il recupero del calore di scarto di una microturbina alimentata a biogas (pagine 85-97)