Scelta del fluido di lavoro per i cicli OTEC chiusi

La scelta del fluido di lavoro di un ciclo OTEC rappresenta il più grande grado di libertà del sistema. La scelta del fluido, infatti, influenza il ciclo termodinamico, e quindi il rendimento di primo principio, la performance e il costo dei componenti (principalmente della turbina e degli scambiatori di calore), la configurazione dell’impianto, i requisiti di sicurezza e le normative ambientali. Gli studi proposti in letteratura [8] mostrano che non c’è un solo fluido che soddisfa tutti i requisiti richiesti. Tuttavia, ci sono alcuni fattori determinanti sulla scelta definitiva, come ad esempio la disponibilità commerciale, il costo contenuto, la

non infiammabilità, la non tossicità e la compatibilità con gli altri materiali e con l’am- biente. Dal punto di vista termodinamico il fluido scelto deve invece avere opportuni valori del punto critico (compatibili con i valori di temperatura e pressione degli scambiatori di calore), e una temperatura di condensazione accettabile [9]. Inoltre, i bassi salti di tempe- ratura con cui lavora il ciclo implicano l’utilizzo di un fluido con un elevato calore latente, in modo da limitarne la portata. L’acqua non può essere presa in considerazione come fluido per un ciclo OTEC: infatti, nonostante abbia un calore latente elevato, ha valori di densità troppo bassi e l’ingombro dei componenti del sistema risulterebbe inaccettabile. In generale l’ammoniaca risulta essere il fluido più adatto in virtù dell’elevato calore latente e del buon coefficiente di scambio che possiede. Le proprietà ambientali e termodinamiche dei fluidi potenzialmente utilizzabili sono riportati in figura 2.18.

Figura 2.18: Caratteristiche termodinamiche di alcuni fluidi organici [2]

I valori del calore latente di alcuni fluidi adatti sono riportati nel seguente grafico (figura 2.19) al variare della portata.

Come è evidente dalla figura 2.19 l’ammoniaca è il fluido con il maggior calore latente, escludendo l’acqua per i motivi espressi sopra. L’ammoniaca presenta anche ottime perfor- mance da cui il ciclo trae beneficio: lo studio condotto da David Vera Candeas [2] mette infatti a confronto tre fluidi (scelti tra i più adatti per le caratteristiche descritte prima), evidenziando che il ciclo OTEC ha un’efficienza tra le più alte se si utilizza ammoniaca. I risultati riportati in figura 2.20 sono relativi all’impianto oggetto dello studio, con potenza elettrica netta di 100 kW.

Lo studio prosegue comparando i tre fluidi considerati migliori, cioè ammoniaca, R1234yf e decafluorobutano, per analizzare il loro comportamento al variare di alcuni parametri del ciclo.

Figura 2.19: Calore latente di alcuni fluidi organici

Figura 2.20: Rendimento del ciclo e rendimento elettrico ottenuti con diversi fluidi

Influenza della temperatura dell’acqua fredda in profondità sui parametri del ciclo

Sempre in riferimento allo studio [2], si riportano i dati relativi ad alcuni parametri termo- dinamici del ciclo in funzione della variazione della temperatura dell’acqua in profondità.

Al crescere della temperatura dell’acqua aumenta la temperatura di condensazione ot- timale che deve esserci nello scambiatore di calore per garantire il pinch point desiderato,

Figura 2.21: Influenza della temperatura dell’acqua in profondità su alcuni parametri del ciclo [2]

aumentando così la pressione di uscita dalla turbina. La temperatura di condensazione è praticamente la stessa per i tre fluidi considerati. È da notare che lavorare con ∆T di

pinch point minori di 5 °C significa aumentare la taglia e i costi degli scambiatori di calo-

re. Dai grafici 2.21 si nota come aumentare la temperatura di condensazione produca un incremento della portata massica di fluido di lavoro, aumentando di conseguenza anche la potenza elettrica netta in uscita dalla turbina (poiché diminuisce la potenza di pompaggio necessaria per estrarre l’acqua in profondità, che rappresenta l’elemento di maggior con- sumo di potenza elettrica del ciclo). Come mostrato in figura il fluido R1234yz porta il ciclo ad avere un’efficienza più alta ma anche la più bassa potenza elettrica Pe, parametro

che è invece più alto se si usa ammoniaca, che è anche il fluido più conforme agli indici ambientali GWP e ODP.

Influenza della temperatura dell’acqua calda superficiale sui parametri del ciclo

È stata condotta la stessa analisi sui soliti parametri anche al variare della temperatura superficiale dell’acqua, prendendo in considerazione il range che va da 26 °C a 30 °C. I risultati sono riportati in figura 2.22.

Figura 2.22: Influenza della temperatura dell’acqua superficiale su alcuni parametri del ciclo

Al diminuire della temperatura superficiale dell’acqua la temperatura di evaporazione ottimale del fluido cala per permettere di avere il ∆T di pinch point desiderato nello scam- biatore, mentre la portata di fluido di lavoro cresce per mantenere la produzione di energia stabilita; ciò comporta una diminuzione del rendimento del ciclo ηorc e del rendimento

elettrico ηe. Dall’altro lato, la riduzione della pressione di uscita dalla pompa fa calare la

spesa elettrica di pompaggio Pe,orc. La potenza elettrica netta Pe rimane invece costante

al variare della temperatura superficiale. La temperatura di evaporazione dell’ammoniaca si mantiene più bassa rispetto a quella degli altri fluidi, soprattutto alle temperature più basse del range considerato (26 °C), provocando un aumento della portata di fluido di

lavoro ˙morc pe raggiungere la potenza elettrica netta Pefissata a 125 kW in questo studio.

In generale, la temperatura dell’acqua fredda in profondità incide in modo più marcato la temperatura di condensazione Tcond e la potenza netta Pe rispetto all’influenza che ha la

temperatura superficiale dell’acqua sulla temperatura di evaporazione Tevap.