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I sistemi a Ciclo Rankine organico nell’ambito della micro cogenerazione

Tecnologia che permette la produzione contemporanea di energia elettrica e termica messa a disposizione sotto forma di acqua alla temperatura di 60 – 90 °C

 

La ricerca nell’ambito dei sistemi energetici segue il trend delineato dal protocollo di Kyoto, che prevede una riduzione significativa delle emissioni inquinanti, la diversificazione delle fonti energetiche primarie contestualmente ad un significativo utilizzo di fonti rinnovabili ed un rilevante incremento nell’efficienza globale di conversione dei motori primi.

 

In questo contesto, assumono un ruolo chiave i concetti di generazione distribuita e micro cogenerazione.

Per generazione distribuita (GD), secondo quanto stabilito dall’Autorità per l’Energia Elettrica e il Gas (AEEG), si intende la produzione di energia anche in assetto cogenerativo, con riferimento alle taglie di potenza elettrica nominale fino a 10 MVA. Nell’ambito residenziale, particolare attenzione è posta alle tecnologie con potenza elettrica utile limitata ai 50 kW, che corrisponde alla potenza nominale massima dei sistemi indicati dalla normativa vigente come sistemi di micro-generazione (L. Marzano 239/04 e modifiche previste da D.Lgs. n°20 del 8/2/2007).


Nel campo della micro-generazione, tra i sistemi di produzione combinata di elettricità e calore più consolidati e diffusi, vi sono le micro-turbine a gas (MTG) ed i motori a combustione interna (MCI). Entrambe le tecnologie presentano accorgimenti architettonici e soluzioni specifiche che permettono una riduzione della taglia del sistema senza comprometterne significativamente le prestazioni.

Ad esempio, dal punto di vista termodinamico le MTG (taglie comprese tra i 30÷200 kW e rendimenti elettrici dell’ordine di 25÷30%), diversamente dai turbogas, si caratterizzano per:

(i) valori del rapporto di compressione limitati, tipicamente nel range 3 ÷ 5, in conseguenza dell’impiego di un unico stadio di compressore radiale;

(ii) temperature di ingresso turbina modeste (inferiori a 900 ÷ 950°C); la turbina radiale non è infatti raffreddata e non è realizzata in materiale ceramico in accordo con una filosofia di progetto volta a ridurre i costi del sistema;

(iii) un ciclo termodinamico con recupero termico, che consente di ottenere rendimenti elettrici non troppo penalizzati dal limitato contenuto tecnologico dei componenti della MTG.

 

Attualmente i principali produttori di microturbine a gas sono: Capstone Turbine Corporation, Turbec, Elliott Energy System, Inc. (Ebara Group), Ingersoll Rand Company, Bowman Power System Inc. [1].

 

Per quanto riguarda i MCI, sono state introdotte in commercio alcune macchine che, dal punto di vista dell’architettura del motore, non contengono elementi particolarmente innovativi; tuttavia tali piccoli motori, pur presentando prestazioni elettriche limitate (rendimenti dell’ordine del 25%), possono diventare economicamente competitivi in applicazioni cogenerative.

Nella fascia di potenze inferiori (< 100 kW), si annoverano i seguenti produttori: Ecogen, Aisin (Toyota), CPL-Concordia, EMD, Energia Nova, Honda, MAN, Sentertech ed Energifera In particolare Honda, Aisin e Senertech hanno recentemente immesso sul mercato macchine molto piccole, nel range 1÷10 kW, destinate espressamente al settore della cogenerazione civile [1].


Meno consolidata e diffusa sul mercato, ma tuttavia con significative potenzialità dal punto di vista energetico, vi è la tecnologia Micro Organic Rankine Cyle (MRC). Tecnologia basata sul ciclo Rankine a fluido organico, permette la produzione contemporanea di energia elettrica e termica messa a disposizione sotto forma di acqua alla temperatura di 60 – 90 °C.

Il ciclo ORC è simile a quello utilizzato da una tradizionale turbina a vapore, eccetto per il fluido di lavoro che, in questo caso, è un fluido organico con elevata massa molecolare (quali per esempio idrocarburi, HCFC, polisilossani).

In Figura 1 è rappresentato un tipico layout di impianto, con relativo diagramma T-s. Il sistema, nella sua configurazione più semplice, è composto da una caldaia a recupero, una turbina, un condensatore ed una pompa di circolazione. La maggior parte degli impianti adotta poi uno scambiatore supplementare, detto recuperatore, che assorbe il calore ancora presente nel fluido allo scarico della turbina per cederlo alla corrente di alimento, come indicato in Figura.

La maggior parte dei fluidi impiegati infatti, ha come caratteristica una curva del vapore nel diagramma T-s con pendenza positiva, cosicché al termine del processo di espansione il fluido si trovi allo stato di vapore surriscaldato (punto 4 in Figura 1).

Il recuperatore permette dunque di preriscaldare la corrente in ingresso in caldaia, con conseguente riduzione del calore introdotto e aumento dell’efficienza complessiva. Un’altra importante caratteristica è che il fluido organico presenta una differenza di densità ridotta fra la fase vapore e la fase liquida, cosicché le diverse sezioni di scambio di un tipico generatore di vapore (economizzatore, vaporizzatore e surriscaldatore) possono quindi essere tutte contenute in un unico scambiatore a superficie che lavora ad alta pressione (caldaia once-through).

 

Figura 1: layout tipico di un sistema ORC

 

Le sorgenti termiche compatibili con le tecnologie ORC sono svariate, dal calore di scarto di processi industriali, alle energie rinnovabili come il solare termico e l’energia geotermica, caldaie a biomasse, fumi do scarico da MTG o MCI.

Se nell’ambito di potenze di interesse industriale (taglie superiori al MW) tale tecnologia è ormai diffusa e consolidata, per quanto riguarda la micro-cogenerazione si contano invece poche unità operative, mentre continua l’attività di ricerca per ottimizzare questi sistemi, in termini di prestazioni ma anche di controllo, con l’obiettivo di impiegarli anche in ambito residenziale.


Nel diagramma potenza-rendimento di Figura 2 sono posizionati alcuni degli impianti di potenza a ciclo organico installati. Si nota un sostanziale effetto scala che ne condiziona le prestazioni: per taglie al di sotto dei 100 kW il rendimento elettrico raramente supera il 10%, viceversa, ORC di media e grossa taglia (tra 1 e 10 MW) vantano rendimenti di conversione che superano il 15%.

 

Figura 2: ricognizione e prestazioni delle tecnologie ORC per taglie 10 kW- 100 MW

 

Tra i diversi produttori della tecnologia ORC inoltre, l’azienda italiana Turboden risulta vantare i valori più alti di rendimento elettrico.
Con riferimento alla micro-generazione in ambito ORC, tra le principali aziende produttrici risultano essere Electratherm, GMK, Infinity Turbine. L’ingombro è pari a quello di un grande elettrodomestico, quale una lavastoviglie o un frigorifero; in Figura 3 a titolo di esempio è riportato il modello Genlec della Energetix Group plc. Le soluzioni commerciali disponibili si differenziano principalmente per la tipologia di fluido di lavoro utilizzato e l’architettura dell’espansore volumetrico.

 

Figura 3: – Genlec della Energetix Group plc


Nel caso illustrato in Fig. 4 a) l’evaporatore è affacciato direttamente alla fiamma e come espansore viene utilizzato una macchina volumetrica rotativa di tipo scroll. Al condensatore arriva acqua fredda che viene riscaldata ed utilizzata come acqua sanitaria o per il riscaldamento degli ambienti. In questo caso il fluido utilizzato è generalmente un fluido organico.

In Fig. 4 b) come espansore sono utilizzati due pistoni ed è la stessa condensa del vapore a fine espansione che viene utilizzata per il riscaldamento domestico. In questo caso il fluido utilizzato è l’acqua.

 

Figura 4: Schema di un impianto micro ORC con espansore volumetrico rotativo scroll (a) e con espansore volumetrico alternativo (b).

 

La ricerca nell’ambito delle applicazioni MRC è principalmente rivolta all’aumento dell’efficienza di conversione. Il gruppo di ricerca dell’Università di Bologna attualmente svolge diversi studi sui sistemi ORC, sia sperimentali che a livello di modellazione numerica.

Nei laboratori del dipartimento, in particolare, è in corso l’analisi sperimentale su due distinti impianti micro-ORC: uno è un sistema per produzione elettrica da 3 kW di potenza nominale, che sfrutta R134a come fluido organico di lavoro e come motore primo un espansore volumetrico a pistoni radiali. Il secondo, ancora in fase di analisi preliminare, è ciclo micro-ORC che aziona una pompa a pistone per acqua rappresentando un sistema completamente electricity-free. Entrambi sono stati progettati per funzionare con pannelli solari o caldaie a biomassa, fra valori di temperatura di sorgente calda compresi fra 50 e 90 °C.

 

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[1] 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- Ricerca di Sistema, Report RSE/2009/18

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