Funzionamento del sistema complessivo

Il parametro fondamentale da valutare resta il rendimento di round-trip, che tiene conto del funzionamento dell’intero sistema considerando sia la fase di carica che quella di scarica. Esso dipende dal rendimento dell’ORC e dal COP della pompa di calore, avendo supposto lo storage perfettamente isolato. Dunque, l’andamento del round-trip al variare delle condizioni operative del sistema è intuibile osservando gli andamenti precedentemente esposti e commentati. Il massimo valore, come è ovvio, si ottiene in condizioni nominali. Il design del sistema complessivo, infatti, viene realizzato giungendo ad un compromesso fra le prestazioni dei singoli sistemi che lo compongono, ovvero del rendimento dell’ORC in fase di scarica e del COP della pompa di calore in fase di carica. Ciascun sistema realizza il miglior funzionamento in condizioni lontane da quelle nominali, e queste condizioni sono, inoltre, discordanti fra loro. Le condizioni nominali sono tali che i due sistemi, operanti in fasi distinte, abbiano prestazioni tali da consentire di ottenere il massimo rendimento di round-trip. In Figura 118 è possibile visualizzare l’andamento del rendimento di round-trip in funzione della temperatura del serbatoio caldo e dell’intervallo temporale in cui si compie la fase di scarica. Per completezza, in Figura 119, si riporta anche l’andamento in funzione delle temperature del serbatoio caldo e di quello freddo dello storage.

Figura 118. Andamento del rendimento di round-trip in funzione della temperatura del serbatoio caldo e del tempo di scarica.

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Figura 119. Andamento del rendimento di round-trip in funzione della temperatura del serbatoio caldo e del tempo di scarica.

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6 CONCLUSIONI

Il tema dell’accumulo energetico è oggi di fondamentale importanza, per cui è necessario proporre nuove soluzioni o apportare miglioramenti a quelle già esistenti. Il numero di pubblicazioni e brevetti reperibili nella letteratura scientifica riguardanti il sistema PTES non è molto consistente, per cui si è reso interessante indagarne nuovi aspetti. Sistemi di questo tipo potrebbe sono stati proposti per contesti di “povertà energetica”, per micro-grids basate su fonti rinnovabili.

Il presente lavoro ha permesso di definire il design ottimale di un sistema Pumped

Thermal Energy Storage (PTES) di piccola taglia, e di valutarne il suo funzionamento

anche al di fuori delle condizioni nominali. La configurazione proposta prevede una pompa di calore a compressione di vapore per la fase di carica e un ORC per la fase di scarica. È prevista l’integrazione termica con una sorgente di calore di bassa qualità in modo da incrementare le prestazioni del sistema. Tale sorgente deve preferibilmente essere di scarso interesse per altri utilizzi, come un flusso di acqua calda con una temperatura intorno agli 80°C proveniente da un processo industriale. La thermal

integration permette di poter raggiungere una temperatura dell’accumulo anche superiore

ai 100°C, operando con un COP della pompa di calore molto più elevato rispetto a quello che si avrebbe nel caso in cui l’evaporatore prelevi calore dall’ambiente. L’energia elettrica viene stoccata sotto forma di energia termica in un serbatoio di accumulo utilizzando acqua come fluido termovettore. Innanzitutto, sono state considerate le diverse possibili condizioni della sorgente termica, individuate nella potenza termica da essa recuperata e dalla temperatura minima da essa raggiunta alla fine dello scambio termico. È stato poi valutato il volume del serbatoio di accumulo, le cui dimensioni sono quelle che maggiormente influiscono su quelle totali del sistema. Sono stati testati diversi fluidi operativi, utilizzati nelle pompe di calore e negli ORC, e fra questi sono stati individuati quelli che rispettavano le limitazioni relative a temperatura critica, alla pressione di saturazione alle temperature presumibili di condensazione dell’ORC, alla sicurezza e all’impatto ambientale. La temperatura critica deve essere ben al di sopra di quella stimata per l’accumulo, mentre la pressione di saturazione deve essere preferibilmente al di sopra di quella atmosferica. Implementando in MATLAB il modello del sistema, è stata effettuata una valutazione preliminare del suo funzionamento al variare delle suddette condizioni: sono stati testati diversi fluidi, facendo variare la potenza estratta dalla sorgente termica, e assorbita dall’evaporatore della pompa di calore, nel range 20-100 kWth e la temperatura minima da essa raggiunta nel range 50-80°C, imponendo un vincolo al massimo volume accettabile per l’accumulo. Tramite ottimizzazione del sistema sono state trovate le migliori condizioni di funzionamento, massimizzando il rendimento di round-trip. Utilizzando l’R1233zd(E) come fluido operativo sia nella pompa di calore che nell’ORC si ottengono le migliori prestazioni, con un’efficienza di round-trip intorno al 38%. Una volta selezionato il fluido operativo, sono state valutate le condizioni più interessanti per il design del sistema. Il massimo volume

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accettabile per lo storage è stato fissato a 5m3: questo vincolo risulta stringente per le prestazioni del sistema nel caso si voglia recuperare una grossa potenza dallo sorgente termica. Infatti, per avere efficienze vicine al 38% con una potenza termica di 100 kWth e una temperatura minima della sorgente pari a 70°C, sarebbe necessario un volume pari a 12 m3. Sotto la limitazione di 5m3, il sistema riesce a raggiungere il massimo valore di efficienza per valori della potenza termica nel range 20-50 kWth con una temperatura minima della sorgente pari a 70°C. Inoltre, minore è la potenza termica, minore sarebbe il volume necessario allo storage, ma minore risulta anche la potenza estraibile dall’ORC in fase di scarica. Con una potenza termica di 50 kWth e una temperatura minima raggiunta dalla sorgente pari a 70°C, è possibile rispettare il vincolo di 5m3 _assicurando un discreto valore di potenza elettrica netta fornita all’utenza, superiore ai 3,5 kWe. Si potrebbe avere un volume molto contenuto, di circa 2m3,recuperando 20 kWth, ma la potenza elettrica netta in fase di scarica risulterebbe inferiore ai 3 kWe. Una volta definite le condizioni più favorevoli per il design del sistema, ovvero una potenza termica di 50 kWth e una temperatura minima raggiunta dalla sorgente pari a 70°C, sono stati ottenuti i valori delle variabili che permettono di massimizzare l’efficienza del sistema. Questi valori hanno costituito il punto di partenza per modellare il sistema in Aspen HYSYS. Il software ha permesso di dimensionare tutti i componenti, introducendo, dunque, perdite di carico, valori maggiormente realistici di pinch-point e delle efficienze isoentropiche. In questo modo si è resa possibile la caratterizzazione in condizioni di off-design, potendo valutare le effettive condizioni di funzionamento del sistema al di fuori delle condizioni nominali. In condizioni nominali i tempi di carica e scarica sono pari a 60 minuti, la temperatura raggiunta nel serbatoio caldo è pari a 100°C; il sistema raggiunge una efficienza di round-trip pari a 38,58 %, erogando, in fase di scarica, una potenza elettrica netta pari a 4,57 kWe. Se varia la potenza richiesta dall’utenza, varia il tempo di scarica; minore è il tempo di scarica, maggiore è la potenza elettrica erogata. Sono stati valutati diversi tempi di scarica, da 30 minuti fino a 120 minuti. Il limite minimo di 30 minuti è stato fissato considerando che ci sono altri sistemi più convenienti per applicazioni in potenza, caratterizzate dall’erogazione di grosse potenze in brevi tempi. Il limite massimo di 120 minuti è stato dettato da considerazioni sulla minima potenza erogata: per tempi di scarica superiori, con una temperatura del serbatoio caldo sia pari a 94°C, si scende al di sotto dei 2 kWe. All’aumentare del tempo di scarica si abbassa la temperatura con cui il fluido termovettore viene scaricato nel serbatoio freddo. Quest’ultima condizione influenza il funzionamento della pompa di calore nella successiva fase di scarica: aumentando il tempo di scarica si abbassa la temperatura del serbatoio freddo, per cui si ha un abbassamento della temperatura di condensazione della pompa di calore. Essendo la pressione di evaporazione fissata dalle condizioni della sorgente termica, all’aumentare del tempo di scarica si ha un avvicinamento delle isobare fra cui opera il ciclo di carica, con conseguente aumento delle prestazioni. In condizioni nominali, con un tempo di scarica pari a 60 minuti e una temperatura del serbatoio caldo di 100°C, si registra un COP di 6,06; aumentando il tempo di scarica, raggiungendo sempre la medesima temperatura del serbatoio caldo, fino a 120min, il COP aumenta fino a 6,46. Inoltre, è

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stata valutata l’influenza della temperatura dell’accumulo caldo, verificando cosa accade se essa è inferiore a quella nominale di 100°C. Per un ragionamento analogo a quello appena fatto, al diminuire di questa temperatura migliorano le prestazioni della pompa di calore: per un tempo di scarica di 60 minuti e una temperatura del serbatoio caldo di 94°C, la successiva fase di carica avviene in 49,5 minuti con un COP di 6,96. Le prestazioni dell’ORC mostrano un andamento opposto a quello della pompa di calore; mentre per un tempo di scarica di 60 minuti e una temperatura del serbatoio caldo pari a 100°C, l’ORC opera con un rendimento del 6,36%, questo si abbassa fino al 4,95% aumentando il tempo di scarica a 120 minuti con una temperatura del serbatoio caldo di 94°C. Le condizioni peggiori di funzionamento del sistema complessivo si registrano proprio nel caso di un tempo di scarica di 120 minuti e una temperatura del serbatoio caldo di 94°C, essendo il rendimento di round-trip pari al 35,13 %.

I risultati ottenuti permettono di concludere che è tecnicamente possibile realizzare un sistema PTES che mantenga una efficienza non troppo lontana da quella nominale, anche in alcune condizioni di off-design. Gli sviluppi futuri potrebbero riguardare ulteriori indagini in merito alla caratterizzazione off-design, valutando ad esempio la variazione della sorgente termica e delle condizioni ambiente. Inoltre, sarebbe interessante effettuare una valutazione economica del sistema, verificandone così la convenienza.

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