Impatto ambientale dei sistemi energetici

Fluidi frigoriferi: impatto ambientale

Fpuò utilizzare come fluido l'acqua, dal momento che solidificherebbe → fluidi frigoriferi. Vantaggi: β → → - Operano con elevati elevato salto T – T applicazioni a bassa T (-20 -40 °C) divide k v vβ - Riduzione del L a pari = p /p (grazie all'inter-refrigerazione): c tot k v (NB: l'ipotesi di c cost non è completamente corretta, in prossimità della curva limite) p - Riduzione della P (influenza EER): c In cui le portate si ottengono da un bilancio termico sul corpo separatore S2: 84 Mentre Q si ricava dal bilancio termico sul corpo separatore S1: F Quindi EER è noto, se sono note le entalpie degli stati del diagramma td (es. log p - h): Fluidi frigoriferi: impatto ambientale

Come detto, si devono impiegare fluidi diversi dall'acqua. Proprietà necessarie: - T << Tcongelamento F - T < T (deve essere la minore possibile; T = T (1 atm)) boil boil H2O boil sat - p (T ) ≈ p = 1 barv F atm

inferiore: l'impatto ambientale potrebbe essere maggiore.

6. Sistemi ORC - Organic Rankine Cycle (esistono già industrialmente impianti di questo tipo)

Sistemi energetici per la produzione di energia elettrica basati sul recupero dei cascami termici inviati a un ciclo motore (ciclo Rankine) produzione di P (P ): da qualche kW a decine di MW.

el mecc

Sorgenti termiche a media/bassa entalpia (T ≈ 80/350 °C):

• calore da impianti industriali,
• sorgenti rinnovabili termiche (solare termico, geotermia),
• combustioni (biomasse, ...),
• cascami termici di motori primi (es. fumi caldi di MCI, TG).

89 La sorgente di calore fornisce fluido caldo (T≈80/350°C), che attraversa un evaporatore, in cui riscalda il fluido operativo dell'impianto ed esce a T minore. Il fluido operativo è organico e viene portato nello stato di vapore saturo; attraversa poi un espansore (T), viene scaricato in un condensatore (fluido di raffreddamento =

acqua o aria) e il condensato è raccolto e inviato da una pompa (assorbimento di P da parte del relativo motore elettrico) nuovamente all'evaporatore.

Una variante spesso applicata nei casi di alta T (600÷800 °C) della sorgente calda (es. combustione delle biomasse) prevede che il fluido caldo non attraversi direttamente l'evaporatore, ma uno scambiatore in cui scalda un fluido intermedio (HTF – heat transfer fluid, tipicamente un olio diatermico), che circola in un circuito chiuso passante per l'evaporatore, in cui vaporizza il fluido organico. Consente di separare il fluido caldo e il fluido organico qualora quest'ultimo sia infiammabile.

Ciclo termodinamico: Rankine, cioè a vapore saturo.

H O (caso limite non efficiente)2

Svantaggi:

• Espansione completamente nel campo bifase: gocce = proiettili, corrosione, η ↓. TV→ →- p << p (T = 33°C p = 0,05 bar): il condensatore funziona in depressione necessarie pompe katm

kper vuoto: complessità non accettabile in un piccolo impianto da qualche MW.- p deve essere massima:vEsiste un limite massimo: p = 221 bar (p critica molto elevata), ma i cicli Rankine sono sub-critici:c→ →p /p = 0,7÷0,8 anche p è molto elevata il salto di pressione assume valori tipici dalle TV div c vgrossa taglia: inaccettabile per un piccolo impianto.

Per i grossi impianti ci si basa su un ciclo surriscaldato, che permette di ↑T senza aumentare p e risolve ancheil problema dell’espansione completamente bifase.

Per tutti questi problemi non si utilizza l’acqua, ma fluidi organici:

• fluidi frigoriferi (HFC, HFO),
• idrocarburi (HC: ciclopentano, isobutano),
• silossani (o fluidi siliconici, fluidi sintetici derivanti dagli HC + Si).

Proprietà dei fluidi organici:

• Stabilità chimica T = 400°C;
• Non infiammabili (solo frigoriferi e silossani);
• ODP, GWP (es. HFO piuttosto che HFC);
• Specifiche

proprietà termodinamiche: I fluidi organici secchi (o ad espansione secca o dry fluids) presentano la curva limite superiore con pendenza negativa e quindi l'espansione a partire da uno stato di vapore saturo ha luogo nel campo del vapore surriscaldato. La stessa trasformazione per gli altri liquidi (ad es. l'acqua) avviene invece nel campo bifase, a causa della pendenza positiva della curva limite superiore. Per i fluidi secchi l'espansore è più semplice e meno soggetto a usura.

2) p < p a pari Tv ORC v H2O v

3) p < pc ORC c H2O

4) T < T : si impiega un fluido che a pari T abbia l'apice della campana più vicino e inferiore a c ORC c H2O HOTT .HOT

5) p > pk ORC k H2O

Da cui:

Che comporta per gli ORC un n° di stadi di espansione = 1, 2 o 3.

Ci sono anche degli svantaggi:

1) il salto entalpico in turbina è limitato:

2) a fine espansione il fluido è ancora caldo: il punto 2 nel caso del benzene è a T maggiore

Prestazioni ORC:

• Potenza utile (η = rendimento di conversione elettromeccanica)
• Lavoro specifico
• Rendimento di ciclo ORC: valori tipici = 10 ÷ 15%
• Efficienza (organico) che tiene conto dell'assorbimento della pompa

In cui si è esplicitata l'efficienza di scambio all'evaporatore = 0,7-0,8 < 1 (T = 120-130°C). Valori tipici: 0,07 - 0,10.

Rendimento totale: caso ORC accoppiato a caldaia η ≈ 90%.

Rendimento totale: caso ORC come bottomer di un MCI = topper (ciclo combinato). Si eleva il rendimento del MCI senza consumo aggiuntivo di combustibile.

Ciclo ORC recuperato (con recupero di calore interno). Il vapore saturo in uscita dall'evaporatore è espanso da una turbina e poi inviato a uno scambiatore = recuperatore (T > T ), che precede il condensatore. Il condensato è inviato, tramite una pompa (azionata da un motore elettrico) al recuperatore.

lo preriscalda, prima che giunga nuovamente all'evaporatore.→Esiste quindi un trasferimento di calore interno nel REC: raffreddamento da 2 a 3 riscaldamento da 5 a 6.Si evidenzia il beneficio td esplicitando il rendimento del ciclo:Valori massimi reali (di targa): = 20-25%.ORC REC →T (s=s ) > T (s=s ): i gas vengono scaricati più caldi ↓OUT REC 6 OUT NON REC 5