2. Il ciclo Rankine Oganico (ORC)
2.3 Stato dell’arte degli impianti ORC
Uno dei principali vantaggi dei sistemi ORC è la possibilità di sfruttare virtualmente una qualsiasi sorgente termica, che insieme alla flessibilità del sistema e alla disponibilità di piccole taglie rende questa tecnologia particolarmente adatta all’accoppiamento con fonti rinnovabili o con sorgenti termiche a bassa temperatura. Di seguito si riporta una breve descrizione delle principali applicazioni della tecnologia ORC con particolare attenzione alle piccole e medie taglie di potenza ( [14] [15] [16]).
Applicazioni geotermiche
Le applicazioni più numerose della tecnologia ORC riguardano lo sfruttamento di risorse geotermiche ad acqua dominante (a temperature inferiori a 150°C) in impianti a ciclo binario, in cui l’entalpia del fluido geotermico è ceduta ad un fluido di lavoro secondario che evolve in secondo un ciclo Rankine organico. Data la tipologia di risorsa infatti non risulta economicamente fattibile il ricorso alla separazione flash, più adatta nei casi in cui la risorsa geotermica sia vapore umido. I sistemi ORC-geotermici risultano economicamente fattibili per taglie inferiori a 1 MW, mentre per piccole taglie (sotto i 10kW) la fattibilità economica è provata qualora si utilizzino componenti con una larga diffusione sul mercato, quali ad esempio sistemi di condensazione a secco mediante ventilatori. Valori tipici del rendimento sono compresi tra il 5 e il 10%, mentre per quanto riguarda le efficienze di secondo principio sono riportati valori tra 20%-54%. Al 2011 risultano operative 162 unità a ciclo binario, con una potenza complessivamente installate di 373 MW, pari al 4% della potenza globalmente generata da fonte geotermica.
Figura 14: layout impianto a ciclo binario
33 Una delle possibilità di sfruttamento della risorsa solare su piccole e media taglie prevede l’utilizzo della stessa per riscaldare un fluido termovettore come sorgente termica per un ciclo Rankine. Le basse temperature operative (inferiori a 300°C) ottenibili con i più semplici sistemi di concentrazione e raccolta della radiazione solare si adattano all’accoppiamento con moduli di potenza ORC.
I sistemi solari ORC possono presentarsi in una varietà di configurazioni: • in applicazioni del tipo stand-alone con o senza accumulo termico;
• in applicazioni che prevedono l’uso diretto della potenza meccanica resa disponibile dall’espansore ORC (ad esempio in stazioni di pompaggio o impianti di desalinizzazione);
• in accoppiamento con sorgenti termiche ausiliarie (ad esempio bruciatori a gas). Dalla letteratura risulta che i principali vantaggi di questi sistemi sono [17]:
• la possibilità di implementare condensatori ad aria; in questo modo l’impianto non necessità di acqua, da qui la possibilità di installazione in località desertiche;
• la possibilità di effettuare il controllo in remoto e i costi ridotti di O&M;
• la modularità, che consente di realizzare impianti su larga scala semplicemente combinando più moduli ORC.
Delgado Torres e Garcia-Rodriguez [18] riportano una analisi comparativa tra sistemi solari ORC con diverse tipologie di collettori solari (collettori piani, a tubi evacuati e concentratori parabolici lineari) e con diversi fluidi di lavoro allo scopo di individuare la configurazione ottimale che minimizza l’estensione del campo solare. Wang et al. [19] studiano un sistema solare ORC sperimentale a bassa temperatura di potenza compresa tra 1,5-2 kW, con evaporazione diretta del fluido di lavoro nel campo solare. Riportano un rendimento medio complessivo solar-to-electric del 3,2% nel caso di collettori piani e del 4,2% con collettori a tubi evacuati con temperature massime di evaporazione pari a 100°C e 115°C rispettivamente. La versatilità dei moduli solari ORC su taglie maggiori e per una produzione centralizzata su larga scala è dimostrata da Canada et al [20] in cui viene riportata una analisi dell’impianto ORC a collettori parabolici lineari in costruzione in Arizona nel 2004. Il sistema solare ORC fornisce una potenza elettrica netta di 1 MW, con n-pentano a 22,3 bar e 204°C in ingresso alla turbina. Gli autori riportano una efficienza del ciclo ORC al punto di progetto pari a 0,207 e un rendimento globale di conversione di 0,121.
34 Figura 15: impianto ORC solare e impianto ORC-CHP a biomasse
Biomasse
A partire dagli anni 2000 in Europa c’è stata una larga diffusione di impianti ORC ad alta temperatura in accoppiamento alla combustione della biomassa solida e per lo più in configurazione cogenerativa. In generale questi impianti si compongono di una caldaia per la combustione della biomassa solida, di un modulo di potenza ORC e di un circuito intermedio a olio diatermico che offre i seguenti vantaggi: (i) mantiene la pressione in caldaia a valori prossimi alla pressione atmosferica; (ii) ha una minore sensibilità alle variazioni di carico improvvise per via della maggiore inerzia termica del fluido termovettore. Per quanto riguarda i parametri operativi, i sistemi ORC alimentati a biomassa sono molto diversi dalle altre applicazioni ORC soprattutto per quanto riguarda la temperatura massima del ciclo che in numerose applicazioni raggiunge valori prossimi ai 900°C (compatibilmente con i limiti di stabilità chimica del fluido operativo). Questo consente di avere temperature di condensazione dell’ordine dei 100°C e la possibilità di configurazioni cogenerative. Gli impianti ORC-CHP a biomassa in taglie di media potenza (100-1500 kW) hanno raggiunto una certa maturità tecnologica a differenza degli impianti di scala domestica per i quali la fattibilità economica non è ancora provata. Sebbene siano stati installati un centinaio di impianti di questo tipo in tutto il mondo, in letteratura i dati tecnici sugli impianti esistenti sono molto scarsi. Analisi dettagliate sono disponibili per due impianti austriaci dimostrativi, l’Admont CHP (400 kWe) e il Lienz (1000 kWe). In particolare quest’ultimo alimenta una rete di teleriscaldamento per 60000 MWh/anno e ha una produzione di energia elettrica pari a 7200 MWh/anno, con un rendimento del ciclo pari al 18% e un coefficiente di utilizzazione globale dell’energia pari all’82% [14].
35 Le applicazioni ORC sono state sperimentate come soluzioni per il recupero dell’energia termica da processi industriali che coinvolgono reazioni di combustione e da motori a combustione interna (dai fumi e dal circuito di raffreddamento) [15]. La temperatura del flusso termico disponibile per il recupero è il parametro essenziale che determina l’efficienza e il design del processo; le applicazioni riportate in letteratura sfruttano sorgenti con temperature comprese tra 200°C - 650°C. L’industria del cemento è attualmente il settore industriale con le maggiori potenzialità, in quanto consente il recupero di una quantità di energia pari al 40% dell’input energetico dai gas esausti e dall’aria calda usata per il raffreddamento dei clinker; a seconda della configurazione dell’impianto, i flussi termici di scarto sono disponibili a temperature comprese tra 215°C e 380°C. Sfruttando questo calore in moduli ORC è possibile coprire per il 10-20% i consumi di energia elettrica richiesti dal processo, come risulta da impianti testati in Giappone, Cina e India [21].
Per quanto riguarda il recupero del calore di scarto dai motori a combustione interna, è necessario fare una distinzione tra motori per applicazioni stazionarie e quelli per la mobilità. Nel primo caso, poiché la sorgente termica non presenta grosse fluttuazioni, i moduli ORC sono analoghi a quelli visti per altre fonti; in particolare quando i gas esausti hanno un elevato livello termico, il sistema ha le caratteristiche viste per i sistemi alimentati a biomassa solida, mentre per il recupero termico a temperature inferiori (ad esempio dal circuito di raffreddamento) il sistema è paragonabile a quello visto per il solare. Lombardi et al [22] propongono l’analisi di varie configurazioni ORC a valle di diversi motori stazionari in commercio e riportano un incremento della potenza e del rendimento complessivo rispettivamente del 13% e del 4,7% con ORC rigenerato rispetto al caso senza recupero termico. L’analisi termodinamica di differenti soluzioni ORC per il recupero termico da un motore stazionario di 3 MW è presentata anche da Vaja e Gambarotta [23]; per diversi fluidi di lavoro le soluzioni studiate dimostrano che il ciclo semplice con due livelli di recupero termico (preriscaldamento mediante il circuito dell’acqua e evaporazione mediante scambio termico con i gas esausti) fornisce lo stesso incremento dell’efficienza ottenibile da un ciclo ORC rigenerato con recupero dai soli gas esausti (5% in più rispetto al caso senza recupero), ma la prima soluzione risulta migliore in quanto consente un migliore utilizzo della sorgente termica.
Per quanto riguarda i motori a combustione interna destinati alla mobilità, il regime prevalentemente non stazionario di funzionamento determina notevoli fluttuazioni della sorgente termica e quindi una maggiore complessità progettuale del ciclo ORC per il recupero termico. In particolare, i moduli ORC per questa applicazioni devono risultare compatti e di
36 peso ridotto per l’accoppiamento con motori di piccola taglia. Pertanto risulta attrattivo l’uso della tecnologia ORC su veicoli pesanti per via delle maggiori potenze, del maggior numero di ore di funzionamento annuali e della possibilità di sfruttare ingombri maggiori. Le prime ricerche in questo senso sono databili agli anni ’70, mentre attualmente l’interesse verso questa applicazione è stato catalizzato dalla Honda, che ha realizzato un prototipo di ORC rigenerato a valle di un motore per autotrazione, con un’efficienza globale incrementata dal 28,9% al 32,7%, alla velocità costante di 100 km/h. [9]
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