Confronto con ciclo Rankine a vapore

Il ciclo Rankine a vapore è tra i metodi più utilizzati per convertire il calore in elettricità: gli impianti che lo adottano come tecnologia sono stati sviluppati e migliorati nel corso del secolo scorso no a raggiungere la piena maturità tecnica e commerciale, risulta quindi comprensibile considerarlo come prima alternativa da confrontare con i cicli ORC.

Le dierenze tra un ciclo Rankine organico e un ciclo Rankine a vapore sono molte [19]. In gura 2.1 si possono osservare le curve di saturazione dell'acqua e di alcuni uidi organici: si notano immediatamente tre caratteristiche.

ˆ L'inclinazione della curva di vapor saturo è negativa per l'acqua, mentre è verticale o lievemente positiva per i uidi organici. Di conseguenza, i secondi non hanno il problema della formazione di gocce di liquido condensato in turbina e non è necessario surriscaldare il uido.

ˆ La dierenza di entropia tra liquido saturo e vapor saturo è più pic- cola per i uidi organici, pertanto sarà inferiore anche l'entalpia di evaporazione.

ˆ A pari calore scambiato all'evaporatore, la portata di uido organico risulta più alta rispetto all'acqua e ne deriva un maggior consumo da parte delle pompe di alimentazione.

Surriscaldamento

Come già introdotto in precedenza, i uidi organici non corrono il rischio di condensare durante l'espansione, pertanto, solitamente non vengono surri- scaldati. L'assenza di condensazione riduce il rischio di corrosione delle pale della turbina ed aumenta la vita utile no a 30 anni, contro i 15-20 anni delle turbine a vapore.

Figura 2.1: Curve di saturazione di alcuni uidi organici e dell'acqua Recupero di calore a bassa temperatura

Le basse temperature di evaporazione dei uidi organici consentono di recupe- rare calore anche a temperature molto basse, rendendo possibile sfruttare con protto il calore di scarto delle industrie pesanti o delle sorgenti geotermiche a bassa temperatura.

Taglia dei componenti

La taglia dei componenti d'impianto è funzione dalla portata volumetrica del uido di lavoro. Questo comporta la necessità di incrementare il diametro idraulico delle condotte degli scambiatori di calore per ridurre la velocità e, di conseguenza, il consumo delle pompe.

Temperatura di ingresso in turbina

Nei cicli Rankine a vapore, a causa della necessità di surriscaldare, il vapore entra in turbina ad una temperatura anche superiore a 600°C (contro i 100- 200°C dei uidi organici), comportando così elevati stress termici in caldaia e alle pale della turbina, incrementando i costi di impianto.

Consumo delle pompe

Il consumo delle pompe è proporzionale alla portata volumetrica del uido ed alla dierenza di pressione tra ingresso e uscita. Un buon parametro per valutare la sua inuenza sul ciclo è il Back Work Ratio (BWR), denito come il rapporto tra il consumo della pompa e la potenza generata dalla

turbina. In un ciclo Rankine a vapore, la portata volumetrica dell'acqua è generalmente bassa e il BWR si assesta intorno allo 0.4%; per un ciclo ORC ad alta temperatura che utilizza toluene come uido di lavoro, il BWR sale al 2-3%, mentre per un ciclo ORC a bassa temperatura con R145fa il BWR può superare anche il 10%.

Pressione

Nei cicli a vapore, le pressioni di 60-70bar e gli stress termici incidono note- volmente sul costo della caldaia. Nei cicli ORC, la pressione limitata intorno ai 30 bar e la presenza di un uido termovettore in grado di moderare gli sbalzi di temperatura rendono l'impianto più sicuro ed economico.

Pressione di condensazione

Per evitare inltrazioni di aria nel ciclo, è consigliabile adottare pressioni di condensazione elevate, o comunque sempre superiori alla pressione atmo- sferica. Nel caso dell'acqua questo non è possibile, infatti la sua pressione di condensazione è solitamente inferiore ai 100mbar, implicando la presenza di un degasatore e complicando ulteriormente la costruzione dell'impianto. Fluidi organici a bassa temperatura, come R245fa, R123 o R134a, al con- trario dell'acqua, hanno una pressione di condensazione superiore a quella atmosferica, mentre altri uidi organici con un alta temperatura critica co- me l'esano o il toluene incorrono nel medesimo problema di condensazione subatmosferica dell'acqua.

Caratteristiche dei uidi

Nonostante quanto scritto nora, i uidi organici utilizzati come uidi di lavoro presentano diversi svantaggi rispetto all'acqua:

ˆ Costosi e non sempre facilmente reperibili ˆ Tossicità

ˆ Inammabilità

ˆ Global Warming Potential (GWP) e Ozone Depletion Potential (ODP) talvolta elevati

ˆ Chimicamente instabili: occorre prestare attenzione che i uidi organici non superino le temperature previste per evitare che si deteriorino

ˆ Elevata viscosità: perdite di carico più alte, coecienti di scambio termico più bassi

I cicli a vapore inoltre, a dierenza dei cicli ORC, non sono ermeticamente chiusi: sono sempre presenti perdite, seppur minime, ma comunque tali da rendere necessaria la presenza di un sistema di trattamento dell'acqua in- tegrato nell'impianto, così da fornire al ciclo acqua deionizzata ad elevata purezza.

Design della turbina

Il rapporto di espansione e i salti entalpici nei cicli a vapore sono entrambi molto elevati, pertanto si rende necessario adottare turbine con parecchi stadi di espansione. Nei cicli ORC invece, il salto entalpico è notevolmente ridotto, consentendo l'utilizzo di turbine mono-stadio o bi-stadio, riducendo di molto i costi a pari potenza prodotta.

Ulteriori conseguenze del basso salto entalpico sono velocità di rotazione e all'apice delle pale in turbina ridotte. La velocità di rotazione più bassa consente di collegare direttamente il generatore elettrico senza intromettere dei riduttori di giri (particolarmente vantaggioso per gli impianti a bassa potenza), mentre la più bassa velocità all'apice delle pale riduce gli sforzi e permette un design più semplice e meno costoso.

Rendimento

Il rendimento dei cicli ORC ad alta temperatura si attesta intorno al 24%, contro il 30% o più dei cicli a vapore. Anche per i cicli a bassa temperatura il rendimento rimane favorevole al vapore, a patto però di soluzioni impian- tistiche più complesse e costose.

In conclusione, i cicli ORC sono soluzioni da tenere sempre in grande consi- derazione quando si dispone di sorgenti di calore a bassa temperatura e nel caso di impianti di taglia molto piccola, sotto al MWe. Per impianti di taglia maggiore, generalmente, i cicli a vapore sono sempre più convenienti, a meno che la sorgente di calore non sia a temperature estremamente basse.