lunedì 15 novembre 2010

Impianti ORC - Cicli rankine a fluido organico: descrizione ed applicazioni

Impianto combinato motore alternativo - ORC - fonte Wartsila
 In questi ultimi anni la ricerca riguardante gli impianti per la produzione di energia di piccola e media taglia si è focalizzata anche su applicazioni tradizionali e antiche come gli impianti basati sul ciclo rankine il cui spunto innovativo sia legato alla tipologia di fluido di lavoro utilizzato, fluidi organici e non più acqua.
Gli impianti ORC (Organic Rankine Cycle) utilizzano sostanze diverse dall'acqua, come idrocarburi, HCFC, polisilossani, dall'elevato peso molecolare e dalla bassa temperatura di cambiamento di fase, per produrre energia anche da fonti di calore a temperatura medio-basse. In tal senso la scelta del fluido, per ottimizzare il rendimento del ciclo termodinamico, è effettuata in funzione della temperatura della sorgente termica a disposizione.
Tali impianti sono spesso accoppiati a pannelli solari, fonti di calore basate sulla geotermia, biomasse, recupero di calore da processi industriali e sono utilizzati spesso a fini cogenerativi, laddove l'energia termica è disponibile sotto forma di acqua alla temperatura di 60-90 °C.

ciclo e Schema di impianto ORC - fonte ENEA

Dallo schema riportato in figura - ne sono disponibili diverse versioni in rete in massima parte provenienti da siti e pagine dell'ENEA - si evince che lo schema è del tutto simile a quello di un impianto basato sul normale ciclo rankine acqua-vapore, con l'unica differenza - come si vede dal ciclo stesso - legata alla presenza di olio diatermico che ha caratteristiche peculiari tali da renderne favorevole l'utilizzo in determinati casi.  In tal senso, sfogliando le pagine dei principali produttori europei e mondiali di impianti ORC, appare evidente che l'utilizzo è limitato e strettamente collegato a:
  • presenza di biomasse da bruciare
  • energia termica proveniente dalla terra (impianti geotermici)
  • recupero termico da altri motori primi
  • accoppiamento con pannelli solari
Il vettore energetico utilizzato per la vaporizzazione del fluido organico è in genere oli diatermico (olio minerale, o sintetico per temperature oltre i 300°C) o acqua, mentre per la condensazione è utilizzata acqua. L’utilizzo di olio diatermico consente inoltre di evitare l’impiego di caldaie ad alta pressione.
Il fluido di lavoro, come detto precedente, è un composto organico (o una miscela) caratterizzata da alto peso molecolare: ciò permette di ridurre la velocità di rotazione dell’espansore e una connessione diretta al generatore.  Altra caratteristica peculiare dei fluidi impiegati nei cicli ORC è quella di essere “fluidi secchi” cioè caratterizzati da una pendenza positiva della curva del vapore saturo. Questo permette di avere un vapore surriscaldato a fine espansione anche partendo dalla curva del vapore saturo, con il vantaggio di assenza di condensa in turbina e la conseguente preservazione delle parti a contatto con il fluido dalla erosione.   Dato che uno dei dati di progetto principali è la temperatura della sorgente termica,  sia la sceltadel fluido organico da impiegare che la progettazione della turbina sono fatte in funzione della tipologia di sorgente cui l'impianto ORC va accoppiato per ottimizzare i rendimenti del sistema.



Sono quattro i principali costruttori di impianti ORC al mondo, tre americani (Infinite TurbineOrmat e UTC Power )  ed uno italiano(Turboden), anche se controllato dal 2009 dalla Pratt & Whitney.   In genere tali impianti sono utilizzati per la generazione distribuita a fini cogenerativi e le taglie degli impianti variano molto, anche se in massima parte possono essere facilmente inserite in ambito di micro e mini generazione di energia: molte case costruttrici propongono moduli dalle poche decine di kW fino al MW e oltre.
 Fra le aziende indicat va segnalato che l' Ormat è la società leader mondiale nel campo degli impianti basati sull'energia geotermica. In tal senso propone impianti ORC la cui fonte di calore provenga da energia geotermica, oltre a quelli basati su altre fonti di calore.  Sul sito dell'Ormat sono disponibili animazion riguardanti impianti binari basati sui cicli rankine organici.  Anche l'italiana Turboden offre impianti modulari da collegare direttamente agli impianti, come nei casi delle altre aziende.
Per quanto riguarda le prestazioni, appare evidente che dipendano fondamentalmente dalla temperatura della sorgente termica e quindi dalla tipologia di fluido utilizzata.  Va scritto - fonte ENEA - che i moduli ORC attualmente commercializzati hanno una taglia fra i 30 e i 1500 kW con un rendimento elettrico che si aggira fra il 18 e il 20% ed un indice di primo principio per quanto riguarda l'applicazione in campo cogenerativo (produzione combinata di energia elettrica e termica) che può raggiungere il 75-80%.  Per quanto riguarda il recupero termico, stanti le basse temperature in gioco, è messa a disposizione acqua calda per usi sanitari alla temperatura di 60-90 °C.
Nonostante gli impianti che utilizzano il ciclo Rankine organico siano poco o nulla studiati nei corsi universitari, si tratta di una realtà consolidata in alcune nicchie di mercato come quella dell'utilizzo della geotermia, del solare termodinamico e delle biomasse come combustibile:  Ormat ha installato oltre 1100 MW di impianti ORC per lo sfruttamento di energia geotermica e Turboden, come ben pubblicizzato sul loro sito internet ha al suo attivo oltre 150 installazioni per un totale di circa 0.18 MW. Sempre sul sito della Turboden sono disponibili schemi, immagini e dati caratteristici di alcuni impianti realizzati.
Per quanto riguarda i costi di impianto, il costo complessivo di un impianto, compreso di caldaia, turbogeneratore, collegamenti e quant'altro, si aggira fra i 3500 e i 6400 €/kW installato, mentre i costi del solo turbogeneratore si possono stimare attorno a 900-1600 €/kW installato.

Bibliografia
M. Bianchi, P. R. Spina, G. Tomassetti, D. Forni, E. Ferrero, "Le tecnologie innovative ed efficienti nei sistemi di generazione in assetto co-trigenerativo e nei sistemi integrati con unità a pompa di calore nelle applicazioni industriali e del terziario", Report RSE/2009/18 Enea - Ministero per lo sviluppo economico.
 Articoli presenti sul sito turboden
Video ed immagini sono stati "linkati" dalla rete e pertanto si suppone siano di pubblico utilizzo previa indicazione della fonte. Se così non fosse verranno rimossi dopo segnalazione degli autori.

Nessun commento:

Cerca nel blog