Laboratorio di Tecnologie per la Microcogenerazione

Tra i temi di interesse della ricerca, all’interno del quadro energetico delineato dal protocollo di Kyoto, caratterizzato da: (i) una riduzione significativa delle emissioni inquinanti, (ii) una diversificazione delle fonti energetiche primarie con significativo utilizzo di fonti rinnovabili e da (iii) un consistente miglioramento dell’efficienza globale nel loro utilizzo, si colloca con sempre maggior rilievo la generazione distribuita.
La generazione distribuita (associata al concetto di “smart grid”) prevede la delocalizzazione della produzione di energia e la conseguente riduzione e/o annullamento della distanza tra produzione ed utilizzo finale, limitando così le perdite di trasporto dell’elettricità ed aumentando la sicurezza dell’approvvigionamento. Il modello di generazione distribuita che si sta diffondendo inoltre si coniuga perfettamente sia con il maggior sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili (per loro natura diffuse sul territorio) sia con l’attuazione di misure di efficientamento energetico nel settore della produzione e del consumo dell’energia.
Dal quadro normativo nazionale si delinea che la generazione distribuita consiste nel sistema di produzione dell’energia elettrica (spesso in assetto cogenerativo per lo sfruttamento di calore utile prodotto) composto da unità di produzione di taglia medio-piccola connesse alla rete di distribuzione in bassa e/o e media tensione.

In tale scenario, la ricerca scientifica si sta focalizzando sulle tecnologie di microcogenerazione adatte ad un ambito civile-residenziale e, pertanto, caratterizzate da taglie e dimensioni contenute. Tra i motori primi oggetto di ricerca e sviluppo per tali applicazioni si trovano le celle a combustibile, i generatori termo-fotovoltaici, i motori di tipo Stirling e i cicli Rankine a fluido organico (Organic Rankine Cycle – ORC).

Le problematiche tecnico/economiche che attualmente limitano la diffusione dei suddetti sistemi in ambito domestico riguardano principalmente la loro ridotta efficienza in considerazione delle taglie elettriche e termiche di interesse in tale settore. Inoltre, con la diffusione della generazione distribuita, nasce l’esigenza di prevedere e gestire da parte della rete di distribuzione nazionale, flussi energetici bidirezionali: non più solo una rete di distribuzione passiva che trasporta l’energia in un’unica direzione (da poche grandi centrali di generazione a tanti piccoli punti di consumo dislocati presso gli utenti finali), ma la necessità di gestire flussi di energia generati da piccole-medie unità di generazione installate presso gli utenti finali.
I vantaggi principali sono invece legati alle possibilità di utilizzare contemporaneamente diverse tipologie di motori primi e fonti primarie, anche di natura rinnovabile, con la conseguente riduzione dei consumi e delle emissioni inquinanti in atmosfera.

Numerosi sono gli studi che mettono a confronto tra loro i diversi sistemi microcogenerativi più innovativi. Tra tutte risalta la tecnologia ORC, che sta acquistando, soprattutto a livello commerciale, un interesse sempre maggiore. Numerosi sono infatti i produttori di ORC che propongono tale tecnologia come soluzione per il recupero energetico da cascami termici. Tali impianti, a differenza dei comuni cicli a vapore, sono in grado di operare con input termici variabili e a più bassa temperatura, grazie all’utilizzo di fluidi organici. Tuttavia, se nell’ambito di potenze di interesse industriale (>500kW) tale tecnologia è ormai diffusa e consolidata, per quanto riguarda la piccola/micro generazione le applicazioni principali risultano ancora acerbe, principalmente in fase di ricerca e sviluppo.

In tale contesto nasce il Laboratorio di Tecnologie per la Microcogenerazione del Tecnopolo di Bologna del Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIN) dell’Alma Mater Studiorum – Università di Bologna.
In Figura 1 è riportato il layout semplificato del laboratorio costituito da una caldaia, alimentata a biomassa solida, utilizzata per produrre acqua calda (tra gli 85 °C ed i 90°C) da inviare al microgeneratore a ciclo Rankine nel quale avviene la conversione in energia elettrica (alternata monofase a 220 V).
Più in dettaglio, la caldaia istallata è un modello K2203 E della Tatano, con una potenza termica nominale di 46 kW ed efficienza nominale pari al 92%, caratterizzata da una notevole flessibilità per quanto riguarda la tipologia di biomassa alimentata. Il sistema microcogenerativo ORC invece è un prototipo sviluppato dalla Newcomen, con una potenza elettrica nominale pari a 3 kW dotato di un espansore volumetrico a pistoni con disposizione di tipo “stellare”. Il fluido organico attualmente in uso è un comune fluido refrigerante. La taglia del sistema in esame lo rende particolarmente adatto all’utilizzo domestico-residenziale.

Figura 1: Layout del microcogeneratore a ciclo Rankine alimentato a biomassa solida

La ricerca svolta presso il laboratorio del DIN è incentrata sulla caratterizzazione dei componenti presenti nel sistema ORC al variare del tipo di fluido organico utilizzato (puro o miscela), con lo scopo di massimizzare il recupero termico, prestando particolare attenzione alla sicurezza ed alla stabilità termica del fluido utilizzato. La seconda fase dell’attività di ricerca verte invece sull’ottimizzazione del sistema ORC, individuando la migliore strategia di gestione e realizzando un modello termodinamico in grado di simulare e valutare il comportamento reale dei vari componenti al variare non solo dei principali parametri di processo, ma anche del fluido utilizzato e della tipologia di espansore installato, con lo scopo di ridurre i consumi ed aumentare l’efficienza al variare delle richieste termico-elettriche.
A tal proposito, in Figura 2 sono riportati, sul diagramma T-s relativo al fluido organico impiegato, gli stati di funzionamento del microcogeneratore ORC in esame, mentre in Figura 3 sono mostrate le prestazioni simulate di tipo elettrico e termico.
L’ultima fase dell’attività di ricerca interessa la progettazione di espansori installabili nel sistema, realizzati con materiali innovativi compatibili con i fluidi utilizzati, in modo da ridurre i costi di realizzazione e il peso del componente, mantenendo però elevate prestazioni.

Il Laboratorio di Tecnologie per la Microcogenerazione del Tecnopolo di Bologna è pertanto un centro di ricerca dedicato allo studio di sistemi microcogenerativi, in modo da definire, testare e ottimizzare le prestazioni e sviluppare componenti al fine di massimizzarne le prestazioni.
I principali destinatari dell’attività di trasferimento tecnologico del laboratorio sono tutti i soggetti operanti nella filiera energetica, i costruttori di sistemi cogenerativi, gli erogatori di servizi, i gestori delle reti energetiche e le Energy Service Company (ESCO). Risultano, inoltre, potenziali beneficiari delle attività di ricerca tutti i soggetti industriali “energivori” nonché i privati e/o tutte le realtà “stand alone”.

Figura 2: Diagramma T-s del Sistema ORC relativo al fluido organico impiegato

Figura 3: Prestazioni elettriche e termiche attese dal sistema micro-ORC al variare del carico

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