Le potenzialità dei motori a fluido organico nel solare termodinamico

Colombo Mattia, D’Antonio Antonio, D’Elia Matteo, F attoracciMatteo, Federici Davide, Francese Carolina, Giannott a Fabio

Gli ORC: un po’ di storia

• William John Macquorn Rankine nel 1859 pubblica “The Manual of Steam Engine” ponendo le basi dei moderni cicli a vapore.

• Frank Ofeldt nel 1883 sviluppò il primo motore a vapore alimentato a nafta. All'epoca il governo Americano richiedeva una licenza per bollire l'acqua nei motori a vapore, cosa che invece non era necessaria per bollire la benzina. Per la prima volta quindi un "gentiluomo" poteva condurre la sua barca a vapore senza l'assistenza di un ingegnere.

• Gli ORC hanno avuto una seconda giovinezza nella seconda metà del ‘900 anche grazie alla Scuola italiana dell'ORC (anni ‘70) nata presso il Politecnico di Milano.

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Gli ORC: l’alternativa ai cicli a vapore d’acqua

Ora che non abbiamo bisogno di un ingegnere per condurre i nostri veicoli, perché sono interessanti?

•Utilizzo di fonti di calore a bassa temperatura•Piccole potenze •Macchine compatte•Ottimo comportamento ai carichi parziali•Assenza di fase liquida all’uscita della turbina•Procedura di avviamento semplificata•Ridotta attività di manutenzione •Lunga vita utile degli impianti

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I motori a fluido organico: una soluzione estremamente versatile

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Tipologie di fluidi

I fluidi possono essere catalogati in 3 famiglie in base all’andamento della loro curva di saturazione:• Fluidi isoentropici (pendenza verticale)• Fluidi drying (pendenza positiva)• Fluidi wetting (pendenza negativa)

DRYING:R236, R245fa, R601, R600,

WETTING:Ammoniaca, Acqua

ISOENTROPICI:R11, R12

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

s [kJ/kg-K]

T [°

C] 10000 kPa

1500 kPa

230 kPa

40 kPa

Ammonia

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00-50

-0

50

100

150

200

250

300

s [kJ/kg-K]

T [°

C]

3900 kPa

1000 kPa

25 kPa

5,9 kPa

R11

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5-100

-50

0

50

100

150

200

250

s [kJ/kg-K]

T [°

C]

3400 kPa

650 kPa

4,49 kPa

R600

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H2O Vs. Organic Fluids:un primo confronto

Trova le differenze !

•Temperature e pressione critica•Andamento delle di curve di saturazione

•Tratto di transizione di fase

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Cosa non ci ha detto il T - s

• Alta massa molecolare ρ elevato • Buone proprietà termofluidodinamiche Cp molare elevato per

la complessità della molecola• Problemi di stabilità termica• Costi

422 FHC2CHClF

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Cosa si ricerca in un fluido organico per un motore ORC

• Alta massa molecolare• Bassa temperatura e pressione

critica• Curva di saturazione retrograda• Mancanza di erosione delle pale

delle turbine• Scambio termico ottimizzato• Stabilità• Atossicità• Non infiammabilità• Bassa espansione volumetrica• Bassa portata volumetrica

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Scelta del fluido di lavoro

La scelta del fluido di lavoro è condizionata da parametri di ottimo che difficilmente coesistono in un fluido.

Una possibile soluzione è l’utilizzo di miscele zeotropiche:

PRO: - proprietà termofisiche- ∆Tglide

CONTRO: - difficile controllo della dosatura

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Cosa ancora non vi abbiamo detto

•Basso salto entalpico utilizzabile•Maggior portata massica a parità di potenza•Necessità di un rigeneratore interno•Limitazione dello stress meccanico e accoppiamento diretto al generatore elettrico grazie ai bassi regimi di rotazione•Altissima affidabilità > 98%

0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,4050

100

150

200

250

300

350

400

s [kJ/kg-K]

h [k

J/kg

]

3900 kPa

1000 kPa

25 kPa

5,9 kPa

R11

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

s [kJ/kg-K]

h [k

J/kg

]

3400 kPa

650 kPa

4,49 kPa

R600

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

s [kJ/kg-K]h

[kJ/

kg]

10000 kPa

1500 kPa

230 kPa 40 kPa

Ammonia

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Schema d’impianto tipo per un ORC

•Un unico corpo di turbina •Pochi stadi di espansione•Preriscaldatore rigenerativo (IHE)•Loop esterno con fluido termovettore e serbatoio di stoccaggio di potenza termica•Generatore solidale alla turbina•NO spillamenti rigenerativi•NO degasatore

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La scelta dell’espansore

• Criterio di scelta:• Portata di fluido evolvente• Salto entalpico• Variazione di portata volumetrica

• Si può scegliere tra:• Espansori volumetrici - Scroll (piccolissime potenze)

- Screw (piccole potenze)• Espansori a flusso continuo - Radiali

- Assiali

Espansore a vite(screw)

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Dimensionamento di una turbina assiale per ORC

In generale:•VR bassi implicano alti rendimenti•SP alti implicano alti rendimenti

•VR è da scegliersi come parametro nell’analisi di similitudine • Celerità del suono bassa•Alta densità nel primo stadio•Alti VR→più stadi per limitare FL angle (Kis)

(Ns)opt=0.12

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Perché i motori a fluido organico e il solare termodinamico

• Sfruttamento della fonte solare anche a bassa temperatura• Possibilità di impianti ibridi con altre fonti a bassa temperatura• Generazione distribuita• Prontezza• Flessibilità

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Tecnologie per la conversione intermedia dell’energia radiante in termica

Il concentratore riflette e convoglia la radiazione solare per ottenere un incremento del numero di “soli”:

Lungo una linea focale (1 g.d.l) In un unico punto focale (2 g.d.l)

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Possibile layout SORC (Solar ORC)

► Campo specchi

► Sistema di accumulo

► Piping di collegamento

► Eventuale sorgente alternativa di potenza termica

► Blocco di potenza

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Compound Parabolic Concentrator (CPC)

Concentrano la radiazione solare incidente in un ampio range di angoli di incidenza da 0 all’angolo di accettazione (acceptance angle)Un elevato numero di soli (alto rendimento) richiede altezze delle parabole molto elevate. L’ampiezza degli specchi è il parametro più incidente sul costo.Ne consegue un trade-off economico.

Soffietto metallico

Vetro con trattamento antiriflesso

Intercapedine d’aria con alto grado di vuoto

Coating selettivo (Ni, Cr)

Getter

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L’olio diatermico come fluido termovettore

Vantaggi

• Basse temperature di freezing (~ 12÷20 °C)• Elevata stabilità termica nel range di temperature operative• Bassa viscosità (miglior scambio termico, minor problemi di start-up e

pompaggio)• Non corrosivi

Svantaggi

• Limitata temperatura massima (~400°C→oltre ho problemi di decomposizione termica)

• Infiammabili• Tossici• Utilizzo in pressione (~25÷35 bar) per evitarne

l’evaporazione alle temperature operative• Elevato costo (~ 3-5 €/kg)

Olio diatermico

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• Impianti esistenti:

1. Holaniku, Kona (Hawaii) Keahole Solar Power, Sopogy2. Saguaro, AZ, Solargenix

• Impianti futuribili:

1. Impianto ibrido solare termodinamico – biomassa2. ORC cogenerativo di piccolissima taglia 3. CPV/T accoppiato ad ORC

Casi di studio 19

Impianti Esistenti

HOLANIKU, Kona (Hawaii) Keahole Solar Power, Sopogy

Caratteristiche Impianto:

• Tipo di impianto: Solare termodinamico con accumulo termico

• Location: Honolulu, Hawaii • Inizio costruzione: 2012 • Superficie totale dei collettori: circa 75.000

m2• Fluido termovettore: Olio diatermico a 270 °C

nominale• Sistema di raffreddamento: Torre evaporativa• Serbatoio termico: Serbatoio con olio

diatemico• Potenza lorda: 6 MW• Rendimento elettrico lordo: 20.5%

Saguaro, AZ- Solargenix

Caratteristiche Impianto:

• Location: Saguaro, AZ• DNI: 2636 KW/m2• Potenza nominale: 1,0 MWe• Potenza Turbina ORC: 1,16 Mwe• Fluido termovettore: Xceltherm 600• T in solar field: 120°C• T out solar field: 300 °C• Fluido di lavoro ORC: n-pentano• T in ORC: 204°C• P in ORC: 22,3 bar• Rendimento dell’ ORC: 20,7%• Superficie collettori: base 10340 m2

(ampliato 17233 m2)• Capacità serbatoio nel caso ampliato: 6h• Capacity factor: base 23% (ampliato 40%)• Rendimento s-el di progetto: base 12,1%

(ampliato 12,1%)• Rendimento s-el annuo: base 7,5%

(ampliato 7,9%)

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• Collettori Solari: parabolic trough LS-2 • Power Block: ORC turbogeneratori Turboden 12 HRS (Nominal Power: 1 MWel) • Fluido Termovettore: olio diatermico• Accumulo Termico: Accumulo con olio diatermico• Sistema di combustione a biomassa: Boiler con olio diatermico• Location: Sicilia (DNI:1872kWh/m2y)

Parametri di progetto:

• Superficie collettori: 11.232 m2 • Numero di collettori solari: 288 units - String Length: ~140 m • Capacità del sistama di accumulo: 17 MWhth (3.6 hrs) • Potenza del boiler a biomassa: 1.7 MWth (biomass input*= 820 kg/h)

Impianto ibrido solare termodinamico – biomassa 21

Gestione delle risorse energetiche nell’arco di una settimana 22

Analisi economica dell’investimento 23

Caso di studio: prototipo ORC cogenerativo di piccolissima taglia per uso civile

Schema d’impianto Pannello solare modulare da “tetto”

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Bilancio energetico

Bilancio di primo principio

Superficie specchi = 5,75 m^2

Fluidi alternernativi: HFC o R600a

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Considerazioni caso di studio

SORC vs PV • ηSORC < ηPV(7,9%) medio annuo • SORC produce anche potenza termica• SORC funziona anche di notte

Sono possibili dei miglioramenti per renderecompetitiva la tecnologia:

• CPC 3D con innalzamento della temperatura di serbatoio fino a 180°C

• Espansore a vite o ottimizzato con η fino al 80%• Aumentare la Temperatura acqua all’utenza• Cuscinetti a levitazione magnetica

Problema: costo?

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Caso di studio:CPV/T accoppiato a un ORC

L’impianto preso in considerazioneprevede un sistema CPV (“concentratingphotovoltaic”), implementato da un cicloORC (R-245fa).

Ulteriore incremento di potenza prodotta grazie a :

• un unità di controllo, che spegne l’ORC quandola radiazione solare è scarsa

• un sistema di inseguimento solare

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Analisi delle prestazioni

.

28

Analisi economica

• Vita utile del ciclo: 20 anni

• Costo energia CPV–ORC: 0.113 €/kWh

• Costo energia CPVcooled: 0.147 €/kWh

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Considerazioni caso di studio

• L’efficienza del pannello fotovoltaico passa da 9.81% a 11.83% in media.

• Parametri che potrebbero essere analizzati per ottimizzare il sistema sono la temperatura di condensazione dell’R245fa, il processo di scambio di caloredell’assorbimento, la selezione di celle più efficienti.

• Il sistema ORC è responsabile del massimo aumento di energia elettricaprodotta (6339.4 kWh invece di 3735.8 kWh). L’efficienza media sale a 10.52%, per il ciclo integrato. Anche a temperature minime l’efficienza annuale era 6.56% per il ciclo semplice.

• Il preriscaldatore e l’evaporatore sono incorporati nel CPV/T originale. I componenti aggiuntivi da ricercare sono solo l’espansore, la pompa e il condensatore.

• La potenza meccanica prodotta può essere usata in altre applicazioni, oltre che la produzione di potenza, come la desalinizzazione dell’acqua di mare.

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Conclusione

• Attualmente questa tecnologia è competitiva solo grazie a forti incentivi economici.

• I motori a fluido organico alimentati con fonte solare potrebbero ricoprire un importante ruolo nell’ottica di una produzione distribuita e differenziata dell’energia.

• La ricerca sugli ORC potrebbe portare a soluzioni innovative e performanti.

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Bibliografia

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2. Takeo Saitoh,Noboru Yamada,Shin-ichiro Wakashima , " Solar rankine cycle using scroll Expander , vol2 N4-2007 "

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7. X.D. Wang, L. Zhao, “Analysis of zeotropic mixtures used in low-temperature solar Rankine cycles for power generation”

8. Bahaa Saleh1, Gerald Koglbauer, Martin Wendland, Johann Fischer, “Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles”

9. Huijuan Chen, D. Yogi Goswami *, Elias K. Stefanakos, " A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat "

10. D. Angelino, M. Gaia, E. Macchi, " ORC –HP- Technology ; working fluid problems "

11. Florian Heberle*, Dieter Brüggemann, ”Exergy based fluid selection for a geothermal Organic RankineCycle for combined heat and power generation ”

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