Universit degli Studi di Pisa Facolt di Ingegneria Impianti geotermici Franco Donatini, Pasquale Salza Anno 2010 2 3 Indice 1.Generalit sullenergia geotermica 1.1Una fonte rinnovabile diversa 1.2I giacimenti geotermici e la loro formazione 1.3Tipologia delle sorgenti geotermiche 1.4Storia dellenergia geotermica 2.Cicli termodinamici degli impianti geotermici 2.1Premessa 2.2Richiami di termodinamica 2.3Impianto2.4Impianto a vapore dominante 2.5Impianto ad acqua dominante con ciclo a flash di vapore 2.6Impianto ad acqua dominante con ciclo binario 2.7 Ottimizzazione termodinamica dei cicli 3.Sistemi e componenti presenti negli impianti 3.1 Condensatore 3.2 Eiettore 3.3 Compressore 3.4 Torre di raffreddamento 3.5Altri componenti 4 4.Il contenimento delle emissioni 4.1 Il processo AMIS 5.Cicli avanzati 5.1 Cicli combinati 5.2 Impianti ibridi 5.3 Rocce calde secche 6.Considerazioni economiche 6.1 Costo medio livellato dellenergia 5 1. Generalit sullenergia geotermica 1.1 Una fonte rinnovabile diversa Lenergia geotermica appartiene alla cosiddetta categoria delle fonti rinnovabili anche se con caratteristiche abbastanza particolari. Le fonti rinnovabili derivano essenzialmente dal sole, che pu essere considerato la fonteprimariaditutteleformedienergia(fig.1.1).Lenergiasolarepuessere direttamente sfruttata nei sistemi di conversione energetica sia sotto forma di calore nella cosiddetta conversione termodinamica, sia sotto forma di luce mediante leffetto fotovoltaico. Ma il sole anche lorigine delle altre fonti primarie. La fonte eolica deriva dal vento chedeterminatodallospostamentodigrandimassedariadeterminatodalle differenzeditemperaturaindottedalriscaldamentosolare.Lafonteidricasibasa sullaccumulodiacquainaltaquota,cheresopossibiledalleprecipitazioni meteoriche,cheasuavoltaderivanodallaevaporazionedeimari,determinata SoleBiosferaFonti fossiliConversionefotovoltaicaFonteEolicaFonte Idro MareeFonte GeoBiomasseConversionemeccanico-elettricaCombustibiliConversionetermo- elettricaSoleBiosferaFonti fossiliConversionefotovoltaicaFonteEolicaFonte Idro MareeFonte GeoBiomasseConversionemeccanico-elettricaCombustibiliConversionetermo- elettrica Fig. 1.1 - Origine delle fonti energetiche 6 proprio dal sole. Le biomasse sono prodotte attraverso il processo di fotosintesi che utilizzapropriolenergiasolareperconvertirelanidridecarbonicaelacquanelle sostanze organiche che costituiscono le piante e pi in generale lintera biosfera.Le stessefontifossilisipossonoconsiderareunaspeciedibiomassa,cheattraverso trasformazioniditipochimicoefisicoavvenuteduranteleeregeologiche,hadato luogo a giacimenti di carbone petrolio e gas. Lenergiageotermicanonderivainvecedalsole,mapiuttostodalcaloreendogeno presente nella profondit della terra, che attraverso meccanismidi scambio termico vieneresodisponibileneglistratipisuperficialidellacrostaterrestre.Tuttaviauna parentela col sole anche in questo caso esiste, in quanto secondo teorie astrofisiche ilpianetaterralevoluzionediunframmentodelsole,prodottonelcorsodella formazione del sistema solare. Anchedalpuntodivistadellecaratteristicheintrinsechelenergiageotermica presentaalcuneparticolaritchelacontraddistinguonorispettoallealtreformedi energia rinnovabile. Lefontirinnovabilisonorisorsepraticamenteinesauribilielaloroutilizzazionein genere caratterizzata da un basso impatto ambientale. Gli aspetti negativi di queste fonticonsistonoinunadisponibilitneltempoditipodiscontinuo,inunabassa densitdipotenzarispettoallospazio,chedeterminaunelevatoimpiegodel territorioperrealizzareunosfruttamentosignificativo,inunaelevatacomplessit degliimpianticheleutilizzanoedingenereinunabassaefficienzadiconversione energetica. Fig. 1.2 -Aree di potenziale sfruttamento della risorsa geotermica Ring of fire 7 Al contrario la fonte geotermica ha una disponibilit continua nel tempo e concentrata nellospazioinquantoigiacimentigeotermicisonodisponibiliinmisurasignificativa in particolari zone della terra.Le tecnologie impiegate per la conversione energetica sonoessenzialmenteditipoconvenzionale,ancheseresecritichedallambiente ostilediapplicazione.Infine,contrariamenteallealtrefontirinnovabili,ilsuo sfruttamentopresentaproblematichediimpattoambientalesimiliaquelledegli impianticheimpieganofontifossili.Infattineigiacimentigeotermicisonocontenute notevoliquantitdigasprodottedallereazionichimichechehannoluogoalloro interno,inparticolareanidridecarbonicaesostanzeinquinantiqualiidrogeno solforato, cloro, mercurio che fuoriescono allatmosfera insieme al vapore attraverso pozzicostruitiappuntodalluomoperlosfruttamentodellenergiageotermica.Il contenimentodiquestiinquinanticostituisceunaspettocritico,dacuidipendonole prospettive di utilizzo di questa fonte di energia. 1.2 I giacimenti geotermici e la loro formazione Come abbiamo detto lenergia geotermica presente sotto forma di calore allinterno dellaterra.Iltermine"geotermia"derivadalgreco"g"e"therms"edilsignificato letterale "calore della Terra". Lorigine di questo calore legata alla natura stessa del nostro pianeta ed ai processi di chimico-fisici che in esso hanno luogo.Ilcaloreinternositrasferisceversolasuperficiedellaterra;lasuaesistenza manifestata dall'aumento progressivo della temperatura delle rocce con la profondit; il gradiente geotermico in media di 3C ogni 100m di profondit, ossia 30C ogni km. Esistono tuttavia nella crosta terrestre zone privilegiate ove il gradiente nettamente superiore a quello medio: ci dovuto alla presenza, non lontano dalla superficie (5-10km),dimassemagmatichefluideogisolidificateinviadiraffreddamento(fig. 1.2).Talizonesilocalizzanoinbenpreciseregionidoveleplacchetettoniche confinanotradiloro,edoveleforzegeologichespostanoinsuperficielemasse magmatiche:inquestezonesipossonovederemanifestazionivulcaniche,geyser, fumarole, hot spot ed altri fenomeni. 8 Fig. 1.3 - La risorsa geotermica in Italia L'energiatermicaaccumulatainquestezonepuessereresadisponibilea profonditaccessibilidavettoritermicipresentinellacrostaterrestreedenominati fluidigeotermici.Ifluidigeotermicisonoessenzialmentecompostidaacqua meteoricachepenetranelsottosuoloesiriscaldaacontattoconleroccecalde.Si formano cos degli acquiferi cio degli strati di materiale permeabile saturo di acqua, che pu raggiungere anche a temperature molto elevate (oltre 300C). Generalmente tali acquiferi, oltre all'acqua in fase liquida, possono contenere acqua sotto forma di vaporeadelevatocontenutoenergetico.EilcasodellItalia,incuinellazonadi Larderelloenelleareemarinedelcentrosudsonopresentigiacimentidivaporedi elevata potenzialit(fig. 1.3). Gliacquiferisonocostituitidaroccepermeabilisaturediacqua,formandocosi giacimenti geotermici. I fluidi contenuti in un giacimento geotermico possono talvolta raggiungerespontaneamentelasuperficie,dandoluogoamanifestazioni geotermiche naturali, quali i geyser, le fumarole, le sorgenti calde, ecc.. Seifluidicaldirimangonoentroilserbatoiopereffettodiunacoperturaditerreni impermeabili,sipossonoavereconcentrazionidienergiatermicadiinteresse industriale a fini di produzione di energia. 9 Lafigura1.4schematizzainmanierasemplificatalaformazionediungiacimento geotermico, che come abbiamo detto legata ai processi ed alle trasformazioni che sono avvenute ed avvengono allinterno della terra La terra allatto della sua creazione costituita da una massa di liquidi e di gas, con un 5 - 10% di vapore. Quando i fluidi si raffreddano, perdendo calore dalla superficie, si forma una crosta esterna solida di spessore medio di 32 km e nelle depressioni di essa si condensa il vapore formando laghi e oceani. Al disotto della crosta esiste una massa fusa detto Magma, ancora in fase di raffreddamento. I forti terremoti avvenuti nella prima fase del periodo Cenozoico (60 milioni di anni fa) determinano la salita del Magma attraverso le fessurazioni prodotte. Il Magma venuto inprossimitdellasuperficieterrestreprovocalaformazionedivulcaniedin presenza di acqua di Geyser e fumarole. IlMagmacaldoinprossimitdellasuperficieterrestresisolidificaformandorocce ignee o vulcaniche. Fig. 1.4 - Schema di un giacimento geotermico 10 IlcaloredelMagmasitrasferisceperconduzioneattraversolerocceigneeoper trasportodigasattraversolefessurazionipresentiinquesterocce,riscaldando lacqua presente in uno strato sovrastante di tipo poroso e permeabile. Unulteriorestratodirocciasolidoeimpermeabilecoprelostratoprecedente intrappolando lacqua calda o il vapore come in un serbatoio (serbatoio geotermico) Larocciasolidahatuttaviafessure,chefunzionanocomesfiatidiunagigantesca caldaia, dando luogo a fumarole o bacini di acqua calda. Sipossonoquindirealizzarepozzicheprelevanoilvaporedallefessureper trasformarlo in elettricit mediante un ciclo termodinamico. Lacquadelleprecipitazionimeteorichepuinalcunicasireintegrareilserbatoio sotterraneo.Inalcunicasilacquatotalmenteassenteesiparladigiacimenti secchi.Inognicasoigiacimentigeotermicirappresentanosorgentidicalore,chepossono essereopportunamentesfruttateaifinienergeticiancheselemodalitdi sfruttamento possono essere pi o meno complesse a seconda delle caratteristiche 1.3 Tipologia delle sorgenti geotermiche Lesorgentigeotermichehannocaratteristichediversechedipendonosiadalle modalit di formazione dei giacimenti, che dalla loro evoluzione nel tempo.Nel caso in cui il giacimento si trovi a profondit non eccessivamente elevate (fino a 1000, 2000 metri) e sia presente acqua la sorgente si definisce di tipo idrotermico. In esselacquavieneriscaldatadalcontattoconleroccecaldeedasecondadella pressione, si trova allo stato di vapore od allo stato liquido; nel primo caso si parla di sorgenti a vapore dominante, nel secondo ad acqua dominante. Quandoilgiacimentositrovaadelevataprofondit(da3000a10000metri)ed presenteacqua,ovviamenteapressionimoltoalte,lasorgentesidiceditipo geopressurizzata;lacquacontenutanelgiacimentositrovaapressionioltre1000 atmosfere e temperature intorno a 160 C Infinevisonogiacimentimoltoprofondicostituitidiroccecaldeatemperature compresetra150e300C,privediacqua;sorgenti diquestotiposidefiniscono 11 petrotermiche.Costituisconol85%dellerisorsegeotermicheterrestri,masonodi difficile sfruttamento proprio per lassenza di acqua. In termini energetici le risorse disponibili nelle tre ipologie di sorgenti sopra descritte sono quantificate in figura 1.5. Attualmenteleunichesorgentieffettivamentesfruttatesonoquelleidrotermiche essenzialmenteperlalorominoreprofonditeperlamaggiorepresenzadivapore cherendepisempliciepiefficientiiprocessidiconversionedellenergiain elettricit. Ilvaporegeotermicotuttaviaunfluidochepresentaproblemiperunefficiente sfruttamentoindustriale,percuiicicligeotermoelettricihannounaconfigurazione differente da quelli alimentati da fonti fossili. IdrotermicheGeopressurizzatePetrotermiche1021J1022J1025J Fig. 1.5 - Disponibilit di energia nei tre tipi di sorgenti geotermiche Propriet termodinamiche Temperatura 150 - 220 C Pressione5 - 20 barComposizione Vapore 95 % Gas 5 % CO298,4 % H2S 1,0 % CH40,4 % H20,1 % N20,1 % Fig 1.6 - Caratteristiche del vapore geotermico 12 Ilvaporegeotermicocontieneinfattigasedimpurezzechehannounimpattosul sistema di generazione elettrica; una composizione tipica riportata in figura 1.6. Apartelepropriettermodinamichechesononettamenteinferioririspettoaquelle tipichedeisistemidigenerazionetermoelettrica,ilvapore,dopolafaseinizialedi sfruttamentodelpozzoincuileconcentrazionidigassonomoltopielevate, contiene aregimecircail5% digasincondensabilipercuisideveopportunamente provvedereallaloroestrazionedurantelafasedicondensazione.Igas incondensabili,puressendoessenzialmentecostituitidianidridecarbonica, contengonoancheidrogenosolforato,checostituisceunproblemasiaditipo ambientale legato alla sua emissione nellatmosfera, sia di tipo tecnologico in quanto rende il vapore notevolmente aggressivo nei confronti delle parti meccaniche che con esso vengono a contatto. Le sorgenti geotermiche attualmente sfruttate sono essenzialmente quelle contenenti vapore, che si dicono a vapore dominante. Vengono tuttavia sfruttate anche sorgenti checontengonoacquacomefluidogeotermico,chesidefinisconoadacqua dominante. Gliimpiantiprogettatipersfruttarerispettivamenteiduetipidisorgenti,differiscono notevolmente tra loro sia per quanto riguarda la configurazione del processo che per leprestazionitermodinamiche.Inparticolarelacomplessitimpiantisticamolto maggiore nel caso di impianti per sorgenti ad acqua dominante e le prestazioni sono nettamente inferiori. Il capitolo successivo analizzer in dettaglio le caratteristiche di queste due tipologie di impianto. 1.4 Storia dellenergia geotermica Fin dall'antichit lacqua geotermica stata usata dalle popolazioni. L'uso pi antico e diffuso stato, naturalmente, quello termale. Solo ben pi tardi fu utilizzata anche per altri scopi. Greci, Etruschi e Romani impiegavano le acque calde che sgorgavano naturalmenteallasuperficieperlabalneoterapiaeperilriscaldamentodegli ambienti,magigliIndianid'Americalausavanopercucinare,oltrecheperscopi medicinali,coscomefacevanoiMaoridellaNuovaZelanda.GliEtruschi utilizzavanol'acidoboricoassociatoallemanifestazioninaturaliperlapreparazione degli smalti con cui decoravano i vasi. 13 Tab. 1.1 Attuale produzione geo-termoelettrica in Italia (Enel 2007) 14 La produzione geotermica italiana ha una lunga tradizione e per molti anni costitu un primato mondiale; ancor oggi la zona di Larderello, in Toscana, considerata la culla della geotermia. Nel 1904, proprio a Larderello, il principe Piero Ginori accese cinque lampadinemedianteunadinamotrascinatadaunmotorealternativoutilizzante vapore endogeno. L'anno seguente fu costruita la prima centrale sperimentale da 20 kW.La prima vera centrale geotermoelettrica, Larderello 1, entr in servizio nel 1913 con unprimogruppoaturbinada250kWdicostruzioneitaliana(Tosi);inseguitola centralefupotenziatacontreunitdi2500kW.Nel1944lapotenzaraggiunsei 127000 kW, ma gli eventi bellici distrussero gran parte degli impianti.OggilareadiLarderello,insiemeaquelladellAmiatahaunapotenzageo-termoelettrica installata di 843 MWe con una produzione complessiva di elettricit di oltre 5000 GWh (Tabella 1.2). Tab. 1.2 Potenza geo-termoelettrica installata nel mondo15 Esistonoanchealtripartidelmondoincuiavvienelosfruttamentodellenergia geotermica e che hanno addirittura superato lItalia per quanto riguarda la quantit di elettricit attualmente prodotta (Tabella 1.2). Negli Stati Uniti un primo tentativo di sfruttamento dellenergia geotermica effettuato nel1922nonebbesuccessoperproblemidicriticitdelfluidogeotermicosui materiali. Nel1956laPacificGaselaElectricPoweracquisisconounareageotermicada MagmaPowereThermalPowererealizzarononel1960laprimacentrale geotermicada11MWe;iproblemidicriticitsuimaterialivennerosuperaticon limpiego di acciai inossidabili. Nelsettembredel1982entrinserviziounagrandecentraleda109MWe, raggiungendo una potenza complessiva installata di quasi 1000 MWe Altripaesichepossiedonogiacimentigeotermiciedutilizzanolenergiageotermica perlaproduzionedielettricitsonolaNuovaZelanda,ilGiappone,ilMessico,le Filippine, la ex Unione Sovietica e lIslanda. 16 17 2. Cicli termodinamici per impianti geotermici 2.1 Premessa Nelcapitoloprecedentesonostatedefiniteduetipologiedisorgentigeotermiche attualmentesfruttateaifinidellaproduzionedienergiaelettrica;sitrattadelle sorgenti a vapore dominante e di quelle ad acqua dominante. Gliimpiantigeotermicibasatisuquestiduetipidisorgente hanno configurazionitra loro piuttosto diverse. Impianti convenzionali Flash singolo Flash Doppio Flash Triplo Ciclo Binario Altro % Unit (~ 500) 1729100.2395 % MWe (8700) 2345240.144 MWe (tot 8700) 2001391528888.7348348 MWe/unit medi 22253810214 Tab. 2.1 Impianti geotermici nel mondo Gli impianti a vapore dominante hanno un ciclo termodinamico abbastanza semplice basatosuunaturbinaavaporesenzarigenerazione,chepuesserea condensazioneoacontropressione;nelprimocasoilvaporeinuscitadallaturbina subisceunafasedicondensazione,mentrenelsecondocasoilvaporeviene scaricato direttamente allatmosfera. Attualmente gli impianti geotermici impiegano di solitouncicloacondensazione;questoconsentesiadireiniettareilfluido geotermico,migliorandolaresadelpozzo,siadicontrollareleemissionidigas inquinanti allatmosfera. Gliimpiantiadacquadominantenecessitanodiprodurrevaporapartiredallacqua pressurizzata,perpoteralimentareunciclotermodinamico.Questaoperazionepu essererealizzataessenzialmenteiduemodi.Ilprimoconsisteneldepressurizzare lacquaproducendovapore,medianteunprocessocosiddettodiflash.Ilsecondo modo consiste nel trasferire il calore dellacqua ad un fluido a bassa temperatura di ebollizione, che evolve in un ciclo chiuso a condensazione; in questo caso si parla di 18 ciclo binario. La convenienza dellapplicazione di un sistema rispetto allaltro dipende dallecondizionitermodinamichedellasorgentegeotermica.Inparticolareper pressionielevaterisultaconvenienteilcicloaflash,mentreperpressionipibasse puesserepiidoneoilciclobinario.Ilciclobinariohainoltreunamaggiore compatibilitambientale,inquantoilfluidogeotermicoperfettamenteconfinatoe non vengono rilasciati allambiente le sostanze inquinanti in esso contenuto. Latabella2.1riportalapotenzainstallatanelmondoperlediversetipologiedi impianto sopra descritte. Primadianalizzarelesoluzioniimpiantistiche,vengonorichiamati,nelparagrafo successivo,alcuniconcettifondamentalidellatermodinamicaapplicataaisistemidi conversione dellenergia. 2.2 Richiami di termodinamica Quandosihaachefareconimpiantidiproduzionedienergiaelettricabasatisulla conversionetermomeccanicadellenergia,lametodologiadianalisibasata,come pertuttiisistemitermodinamici,sullaimpostazioneerisoluzionedelleseguenti equazioni: Conservazione della massa Conservazione dellenergia Conservazione della quantit di moto Equazioni costitutive Propriet di stato dei fluidi Scambio termico Turbolenza Altri fenomeni di trasporto 19 Questeequazionidovrannoessereimpostate,divoltainvolta,perunpreciso sistema termodinamico (lintero impianto, una apparecchiatura, un componente). E utile quindi richiamare alcune definizioni per tali sistemi: Sistemaisolato:nonscambianmassanenergiaconlambiente( luniversoil sistema dei fisici) Sistemachiuso:Scambiasoloenergiaconlambiente,manonmassa(il beckeril sistema dei chimici) Sistemaaperto:scambiamassaedenergiaconlambiente(larealt delluomo, sia naturale che tecnologicail sistema degli ingegneri) Fig. 2.1 Schematizzazione concettuale di un Sistema Aperto Assumendo per i vari simboli di figura 2.1 il seguente significato: .m= portata massica h = entalpia specifica M (massa) E(energia) S(entropia) Ni(frazione i-esima) Volume di controllo Superficie di controllo T temp. superf. /T Q , Q. . .W h , m. Ambiente T0, P0 Stato Morto Ni0

Processi fisici Processi chimici 20 M = massa E = energia interna S, S&,s = entropia, flusso di entropia, entropia specifica N = frazione massica .Q= potenza termica .W= potenza meccanica T = temperatura c,c = velocit (modulo), velocit (vettore) g = accelerazione di gravit z = quota relativa F = forza (vettore) v = volume specifico A = superficie Questiibilancichepossibilescriveresecondolaschematizzazionepropostain figura: Bilancio di massa: = i.mdtdM Bilancio di energia: . .i2i.W Q gz)2c(h mdtdE + + + = Bilancio di quantit di moto: i_ .i__) c m ( Fdtc) d(M + =Bilancio di entropia:gen..ii.STQs mdtdS+ + = Inparticolare,perunsistemaapertoallostatostazionario,conunsoloingressoe una sola uscita (Figura 2,2), possibile scrivere: 21 Fig. 2.2 Conservazione dellenergia per un sistema aperto stazionario0 c A p - c A p W Q ) E E (U m - ) E E (U m1 1 1 2 2 2. .p2 c2 22.p1 c1 11.= + + + + + +Considerando poi che pv U Hpv m pv(Ac/v) pAc.+ == = si ha infine: 0 W Q ) E E (H m - ) E E (H m. .p2 c2 22.p1 c1 11.= + + + + +Siconsideriadessounprocessodiconversionedellenergiacheagiscasecondola schematizzazione illustrata in figura 2.3: Fig. 2.3 Processo di conversione dellenergia 1 1 1 11.A , c , v , p , m1 2 2 22.A , c , v , p , m .W .QQ1 T1 Q0 T0 W Stato di riferimento e stato mortoStato corrente22 Dallaconservazionedellenergiaedallaconservazionedellentropia,sarpossibile scrivere: 0SgS1SW0Q1Q= ++ = Sommando la prima equazione alla seconda moltiplicata per T0: gS0T )0S0T0(Q )1S0T1(Q W =Ponendo poi: ) ilit" Irreversib " (definitagS0T I) Exergia" " (definita S 0T Q E= = si ottiene: I )0E1(E W =che,inparole,vuoldire:lavariazionediexergiarappresentailmassimolavoro teorico ottenibile dal processo in assenza di irreversibilit. Lexergia in realt la somma di pi componenti: Sempresullabasediquantoschematizzatonellaprecedentefigura,possibile definire, per il processo di conversione, due differenti rendimenti: [ ]( )(((

|||

\||||

\| |||

\| = =0 0p 0 0 p0 0 0 phppln RTTln c T T T c m ) s (s T ) h (h m ES T H E0 ch =||

\| =TT1 Q E0th|||

\| + + = h g2vm L E2mEXERGIA CHIMICA EXERGIA TERMICA EXERGIA MECCANICA + + + EXERGIA FISICA 23 Rendimento di primo principio: 1QWI =Rendimento di secondo principio: CARNOTI0 11IT TT1S0T1QW1EI11EWII === = =avendo infatti associato alla sorgente ad alta temperatura una exergia di tipo termico. Nelcasoincuinelprocessodiconversionesiutilizzinocombustibili,sipuad esempiosceglieredicaratterizzarelexergiatermicacolcaloredicombustioneela temperatura adiabatica di fiamma, oppure si pu esprimere lexergia del combustibile come 1 k1Q k Nel caso la sorgente fosse invece energia solare, si pu pensare di utilizzare come temperaturacaldalatemperaturadicorponerodelsole,ovverocirca5760K, ottenendo 1Q 0,931E =Einteressanteadessoconfrontare, attraversoglischemiproposti,ledifferenzeche emergonodalleanalisideiflussienergeticiedexergeticidiunacentraleavapore tradizionale(Figura2.4)eunacentralegeotermica,nelcasospecificoavapore dominante (Figura 2.5). 24 Fig. 2.4 Centrale a vapore tradizionale Fig. 2.5 Centrale geotermica a vapore dominante Daglischemipropostiemergonoalcuneinteressantiosservazioni.Sinotaad esempio come, a livello globale, rendimenti di primo e secondo principio coincidano nel caso di centrali a combustibile fossile, mentre nel caso di centrali geotermiche il rendimentoexergeticosiamaggiorediquelloenergetico(Figura2.6).Nelprimo caso, infatti, oltre alloutput (W), le analisi energetica ed exergetica hanno in comune Caldaia 92 % Ciclo termico 45 % Aux 3 % 660 MW 40 % 1650 MW Carb. 212 t/h Olio 141 t/h 1518 MW Vap. 1612 t/h 683 MW BILANCIO ENERGETICO Caldaia 60 % Ciclo termico 69 % Aux 3 % 660 MW 40 % 1650 MW 990 MW683 MW BILANCIO EXERGETICO Fumi Olio 2200 t/h Carb. 2500 t/h Ciclo termico 21 % Aux 3 % 20 MW 20 % 100 MW Vap. 126 t/h21 MW BILANCIO ENERGETICO Ciclo termico 57 % Aux 3 % 20 MW 54 % 37 MW Vap. 126 t/h 21 MW BILANCIO EXERGETICO 25 anchelinput(comedetto,sipuporreE1=kQ1Q1).Nelsecondocaso,invece, loutput coincide, ma non linput: 1 0 11Q S T H EH Q< = = Inoltre,interessantenotarecome,nelcasodicentraliacombustibile,siano diversamenteripartiteleperditetraivaricomponenti:nellanalisienergetica,il componente responsabile delle perdite maggiori il condensatore (allinterno quindi del ciclo termodinamico), che immette nellambiente una grande quantit di calore (e quindiunagrandequantitdienergia),seppurabassatemperatura(equindia bassaexergia),mentreanalizzandoiflussiexergeticilasituazionesiribalta:il componentepercentualmentepicoinvoltonelladistruzionediexergialacaldaia, responsabiledelladegradazionedallenergiachimicadelcombustibileaquelladel caloredellafiammaedaquestaadaltatemperaturaallenergiaatemperaturapi bassa del vapore. Fig. 2.6 Confronto dei rendimenti di primo e secondo principio 01020304050600 100 200 300 400 500 600 700 800Temperatura del vapore (C)Rendimento (%)Ciclo a vapore geotermicoCiclo a vapore a fonte fossilerendimento di primo principiorendimento di secondo principio26 2.3 Impianti a contropressione (o a scarico libero) Fig. 2.7 Impianto geotermico a contropressione Concettualmenteunimpiantodiquestotipoilpisemplice:ilvapore (eventualmentepreviaseparazionedellafaseliquida)vieneinviatodirettamentein turbinaedaquestascaricatoapressioneambienteinatmosfera(Figura2.7). Impiantidiquestotiposonoutilizzatigeneralmenteperfluidigeotermicicon percentualediincondensabilisuperioreal1015%inpesodelvapore,oquandola durata temporale della risorsa incerta: i costi di installazione di questi impianti sono infatticontenuti,mancandonellimpiantolinterasezionedicondensazionee raffreddamento. Altri utilizzi sono quelli per la realizzazione di impianti pilota, impianti di stand-by, piccole riserve da pozzi isolati e per la generazione da pozzi di collaudo durante lo sviluppo del campo geotermico.Leffettodellassenzadiunsistemadicondensazioneinfluiscesulsaltoentalpico utilizzabile per la produzione di potenza in turbina, come si vede qualitativamente in figura 2.8sul pianoh-s: fissatelecondizioniditemperaturaepressioneiningresso allaturbinaT1,P1,unsistemaascaricoliberofarterminarelespansionealla pressioneatmosferica(1bar,100C),mentreinpre senzadiuncondensatorecisi potrspingereallapressionedivaporecorrispondenteallatemperaturaminima compatibile col sistema di raffreddamento. 27 Comesivedr,tuttavia,inalcunicasipuessereenergeticamenteconveniente optare per un sistema a scarico libero piuttosto che a contropressione. 2.4 Impianto a vapore dominante a condensazione Unimpiantoavaporedominanteacondensazionecostituitoda unsempliceciclo termico a condensazione (ciclo Rankine) senza rigenerazione al fine di massimizzare lapotenzaestraibiledalvapore.Untipicoschemadiquestoimpiantoriportatoin figura 2.9. Fig. 2.8 Effetto della presenza di un condensatore sullespansione in turbina 1 bar 100C 0,07 bar 40C H sc.lib. H cond. 28 Il vapore estratto dal pozzo passa attraverso un separatore centrifugo che abbatte le particellesolidein essocontenute,quindientrainunaturbina dovesiespande fino allapressionedelcondensatore.Quiilvaporevienecondensatotramiteun condensatore e lacqua prodotta viene reiniettata nel pozzo geotermico.Il tipo di condensatore in generale a miscela invece che a superficie come nei cicli degli impianti a combustibili fossili. Ci dovuto essenzialmente a due fattori: -lacontaminazionedelvaporepereffettodellacquadiraffreddamentoin genere di bassa purezza, in quanto prelevata da corpi idrici naturali, presenti nel sito dellimpianto, non costituisce un problema in quanto il condensato non prosegue il suo percorso nellimpianto, ma viene reiniettato nel pozzo; -il vapore geotermico contiene sostanze che lo rendono corrosivo nei confronti deimaterialimetallici,rendendolicondensatoreasuperficiemeno conveniente, sia per quanto riguarda la durata, che il costo di realizzazione. Lapresenzadigasincondensabiliinsenoalvaporerendenecessarialaloro estrazioneduranteilprocessodicondensazione.Lestrazionedegliincondensabili pu essere effettuata mediante le seguenti tecniche: TurbinaCondens.Torre di raffredd.Compr.GESeparatore centrifugoSerbatoio geotermicoTerraVaporeAcquaGasTurbinaCondens.Torre di raffredd.Compr.GESeparatore centrifugoSerbatoio geotermicoTerraVaporeAcquaGas Fig. 2.9 Impianto geotermico a vapore dominante con compressore 29 -aspirazionedeigasmedianteuncompressore,cheoperatrala pressionedelcondensatoreequellaatmosferica,azionatodallalbero meccanico della turbina, come illustrato in figura 2.9; -estrazionedegliincondensabilimediateuneiettorealimentatocon vapore geotermico in ingresso alla turbina, come illustrato in figura 2.10 Lasoluzioneconleiettoreingeneremenocostosadiquellacheimpiegail compressore,tuttavialasecondapiefficienteinterminienergeticispecialmente sesiimpieganocompressorimultistadiointerrefrigeraticomesarmostratonel capitolo successivo.Ilcaloreprelevatoalcondensatoredallacquadiraffreddamentovieneceduto allambiente esterno di solito mediante una torre evaporativa. Infatti generalmente gli impianti geotermici sono installati in luoghi privi di corpi idrici di potenzialit adeguata ad evitare limpiego di torri di raffreddamento, che determinano sia un incremento del costodiinstallazionecheunapenalizzazioneinterminidiefficienza.Latorredi raffreddamento asporta il calore dellacqua condensatrice in maniera preponderante per leffetto di evaporazione indotto dallaria che si trova in condizioni di umidit al di sottodiquelledisaturazione.Lasuaefficienzavienequindimoltopenalizzatada condizionidi elevata umiditdellaria;unanalisiaccuratadelleprestazionidiquesto componente sar svolta nel prossimo capitolo. TurbinaCondens.Torre di raffredd.GESeparatore centrifugoSerbatoio geotermicoTerraVaporeAcquaGasTurbinaCondens.Torre di raffredd.GESeparatore centrifugoSerbatoio geotermicoTerraVaporeAcquaGas Fig. 2.10 Impianto geotermico a vapore dominante con eiettore 30 In figura 2.11 mostrato il diagramma termodinamico del ciclo geotermico a vapore dominante.SitrattaessenzialmentediuncicloRankine,incuilafasedi riscaldamentoedevaporazione(4-6)delfluidodilavoroeffettuatoallinternodel pozzo,ciodirettamente dallanatura,inveceche da ungeneratoredivaporecome negliimpiantialimentatidacombustibilefossile.Ilvaporeinuscitadalpozzoviene sottopostoadunafasedilaminazione(6-1),conloscopodieliminarelariduzione della portata di vapore per effetto della condensazione indotta dalle perdite termiche chesiverificanolungolatubazionediadduzionedelvaporeallimpianto.Ilvapore subisce una fase di espansione in turbina (1-2), producendo potenza meccanica, che vieneconvertitainelettricamediantelimpiegodiunalternatore.Quindiilvapore viene condensato (2-3) e trasformato in acqua che viene reiniettata nel pozzo tramite una pompa (3-4). Valutiamooralapotenzaelettricaprodottadalciclogeotermicoriportatoinfigura 2.11. La potenza meccanica prodotta dalla turbina data da: ( ).1 2VM mP m h h = Produzione di vapore nel pozzo Espansione in turbinaLaminazione CondensazioneRe-iniezioneRiscaldamento nel pozzo Produzione di vapore nel pozzo Espansione in turbinaLaminazione CondensazioneRe-iniezioneRiscaldamento nel pozzo Fig. 2.11 Diagramma termodinamico di un ciclo a vapore dominante T s 31 Partedellapotenzameccanicadellaturbinavieneutilizzataperalimentareil compressore per lestrazione dei gas dal condensatore. La potenza assorbita dal compressore data da : ( ).U IVC Imh hP m f= dove If rappresentalafrazionedeigasincondensabilicontenutinelvapore geotermico. Il compressore opera una compressione adiabatica tra la pressione del condensatore e quella dellambiente esterno dove vengono scaricati i gas incondensabili. Nellipotesidiconsideraregliincondensabilicomegasperfetti,perlacompressione isoentropica vale la seguente relazione: 1, ,KKUIS UISUI I Ih Tph T p| |= = |\ Introducendoilrendimentoisoentropicocomerapportotrailsaltoentalpico isoentropicoequelloreale,lapotenzaassorbitadalcompressorepuessere espressa nel modo seguente: 1.1KKVU I PC IIS m Ip m f CP Tp (| | (= | (\ ( La potenza elettrica complessivamente prodotta dal ciclo data quindi da: ( ) ( )1..1 21EPKKVU I PVE M C E m IIS m Ip m f CP P m h h Tp | |(| | | (= = | | (\ | ( \ Comevienemostratoinfigura,incasiincuisiabbiaunaelevatapercentualedi incondensabili,laspesaenergeticanecessariaallaloroestrazione(interminidi potenzaelettricaodivapore,nelcasodieiettore)diventataledafarpreferirela soluzionediimpiantoascaricolibero:ilminoresaltoentalpicosfruttabileinturbina (vedi paragrafo precedente) viene compensato infatti dalla spesa energetica evitata a causadelfattochegliincondensabilivengonoimmessidirettamenteinatmosfera. Nelgraficodifigura2.12vieneriportatoillavoroestraibiledalfluidogeotermico 32 (kJ/kg) in funzione della frazione di CO2 presente nel fluido. Le curve parametrizzano diversi valori di temperatura a cui la risorsa disponibile. Fig. 2.12 Confronto tra impianti a scarico libero e a condensazione Esercizio 2.1 Calcolare la potenza, il rendimento ed il consumo specifico di vapore di un ciclo geotermico che utilizza una portata di vapore di 100 t/h, ad una pressione di 20 bar e ad una temperatura di 200 C e con un contenuto digas in condensabili del 5 %. Si assumano i seguenti dati: pressione di condensazione = 0,1 bar rendimento isoentropico della turbina = 80 % rendimento isoetropico del compressore = 80 % Impianto a Condensazione Scarico Libero 33 rendimento meccanico delle macchine = 99 % rendimento elettrico dellalternatore = 98 % calore specifico dei gas incondensabili = 1,2 kJ/kgK Dalle propriet di stato dellacqua si ottiene: entalpia del vapore in ingesso alla turbina = 2822 kJ/kg entropia del vapore in ingresso alla turbina = 6,386 kJ/kgK entalpia dellespansione isoentropica al condensatore = 2022 kJ/kg temperatura di condensazione = 45,8 C Sullabasedeidatiprecedentipossibilevalutarelapotenzameccanicadella turbina ( )1002822 2022 0, 8 0, 993, 6MP = =17.600 elapotenzameccanicaassorbitadalcompressorediestrazionedegliin condensabili ( )1,4 11,4100 0, 05 1, 2 1273,16 45, 8 13, 6 0, 8 0, 99 0,1CP ( | | (= + | ( \ ( La potenza elettrica prodotta al ciclo quindi data da: ( ) 0, 98E M CP P P = =17,200 Il rendimento elettrico del ciclo dato dal rapporto tra la potenza elettrica e quella termica del vapore geotermico: 17, 210028223, 6E = =0,22 Il consumo specifico di vapore quindi dato da: 100.00017.200VC = =5,8 34 2.5Impianto ad acqua dominante con ciclo a flash di vapore Comeabbiamodetto,quandoilfluidogeotermicocostituitodaacquaallostato liquidooccorreprodurrevaporeperutilizzarloinunciclotermodinamicoanche questa volta di tipo Rankine.Laproduzionedelvaporevienerealizzatariducendolapressionedellacqua, attraverso un processo cosiddetto di flash. Lo schema di un impianto di questo tipo riportato in figura 2.13 IlciclotermodinamiconeldiagrammaT,Scorrispondenteallimpiantomostratoin figura 2.13, mostrato in figura 2.14. TurbinaCondens.Torre di raffredd.GESerbatoio geotermicoTerraAcqua caldaAcquaGasSeparatoreCondensaTurbinaCondens.Torre di raffredd.GESerbatoio geotermicoTerraAcqua caldaAcquaGasSeparatoreCondensa Fig. 2.13 Impianto ad acqua dominante con flash di vapore 35 Espansione in turbinaFlash CondensazioneRe-iniezioneRiscaldamento nel pozzo LaminazioneRe-iniezioneEspansione in turbinaFlash CondensazioneRe-iniezioneRiscaldamento nel pozzo LaminazioneRe-iniezione Lacquapressurizzataprovenientedalpozzogeotermicovienesottopostaadun processodilaminazionechelatrasformainunamiscelabifase,ilcuititolotanto maggiore quanto pi elevata la riduzione di pressione.Dallamiscelavieneestrattovaporsaturoinunseparatoredivapore,cheviene utilizzatoinuncicloRankineperprodurrepotenzameccanicaequindielettricit; lacqua separata viene reiniettata nel pozzo geotermico.Unaltrapossibilitquelladiutilizzarelacquaseparataperprodurreulteriore vaporemedianteunsecondoprocessodiflash;ilvaporeprodottovienequindi introdotto in turbina ad un livello intermedio di pressione.Un impianto di questo tipo, detto a doppio flash, mostrato in figura 2.15. Fig. 2.14 Ciclo termodinamico di un impianto ad acqua dominante con flash di vapore T s 36 Essoconsenteunmigliorsfruttamentoenergeticodelfluidogeotermicoaspesedi una maggiore complessit impiantistica. Analizziamooralaproduzionedivaporeattraversoilprocessodiflashdellacqua, scrivendo i bilanci di massa ed energia: w l sw w l l s sm m mmh mh mh= += +

da cui si pu ottenere la frazione di vapore prodotto rispetto allacqua: s w ls lwm h hxh hm= =

dove: portata di acqua dal pozzo geotermicowm =

portata di liquido condensatolm=

portata di vapore prodottosm=

BPCondens.Torre di raffredd.GESerbatoio geotermicoTerraAcquaGasSeparatoriCondensaAPAcqua caldaBPCondens.Torre di raffredd.GESerbatoio geotermicoTerraAcquaGasSeparatoriCondensaAPAcqua calda Fig. 2.15 Impianto ad acqua dominante con doppio flash di vapore 37 entalpia dell'acqua dal pozzo geotermicowh = entalpia del liquido saturo alla pressione di flashlh= entalpia del vapore saturo alla pressione di flashsh= Dallarelazioneprecedenteemergecomelaportatadivaporeprodottocrescaal diminuire dellentalpia del liquido e quindi della pressione di flash. In figura 2.16 sono riportatigliandamentidellafrazionedivaporeprodottoalvariaredellapressionedi flash per diversi valori della pressione dellacqua geotermica. Tuttaviaaldiminuiredellapressionediflashdiminuisceanchelentitdelsalto entalpicosfruttabileinturbina,percuiesisteperciascunacondizionedipressione dellacquageotermicaunvaloreottimaledellapressionediflash,comerisultadal grafico di figura 2.17. 00,10,20,30 5 10 15 20Pressione di flash (bar)Frazione di vapore15 bar20bar Fig. 2.16 Andamento della frazione di vapore prodotto in funzione della pressione di flash 38 La ricerca dei valori ottimali di flash diviene pi complessa quando si introducano pi livellidipressione;latrattazionematematicadiquestoproblemasarillustratanel paragrafo 2.7. Esercizio 2.2 Calcolarelapotenzaprodottadallaturbinadiuncicloadacquadominanteaflash singolo, in cui la sorgente geotermica costituita da acqua alla pressione di 20 bar in condizionidisaturazione,conunaportatadi1000t/h.Sieffettuiilcalcolopertre livelli di pressione di flash, pari rispettivamente a 10, 5 e 0,5 bar. Per quanto riguarda la turbina si assumano i dati utilizzati nellesercizio 2.2 Alla pressione di 20 bar, dalle propriet di stato si ottiene unentalpia di saturazione dellacqua diPerilprimolivellodiflashdi10bar,dalleproprietdistatodiottengonoiseguenti dati: Entalpia di saturazione del liquido = 762,8 kJ/kg 0204060800 5 10 15 20Pressione di flash (bar)Potenza specifica (kW/(kg/s))15 bar20bar Fig. 2.17 Andamento della potenza specifica in funzione della pressione di flash39 Entalpia di saturazione del vapore = 2778 kJ/kg Entropia di saturazione del vapore = 6,586 kJ/kgK Entalpia di espansione isoentropica alla pressione del condensatore = 2086 kJ/kg Sullabasedeiprecedentidatipossibiledeterminarelaportatadivaporeprodotto nel processo di flah: 908, 8- 762, 81000 72, 452778- 762,8 t/hsm= =

e la potenza generata dalla turbina: ( )72, 452778 2086 0, 8 0, 99 110303, 6 kWMP = = Per il secondo livello di flash di 5 bar, dalle propriet di stato di ottengono i seguenti dati: Entalpia di saturazione del liquido = 640,2 kJ/kg Entalpia di saturazione del vapore = 2749 kJ/kg Entropia di saturazione del vapore = 6,821 kJ/kg Entalpia di espansione isoentropica alla pressione del condensatore = 2161 kJ/kg Sullabasedeiprecedentidatipossibiledeterminarelaportatadivaporeprodotto nel processo di flah: 908,8 640, 21000 127, 372749 640, 2 t/h sm= =

e la potenza generata dalla turbina: ( )127, 372749 2161 0, 8 0, 99 164763, 6 kWMP = = Perilterzolivellodiflashdi0,5bar,dalleproprietdistatodiottengonoiseguenti dati: Entalpia di saturazione del liquido = 340,5 kJ/kg 40 Entalpia di saturazione del vapore = 2646 kJ/kg Entropia di saturazione del vapore = 7,594 kJ/kgK Entalpia di espansione isoentropica alle pressione del condensatore = 2407 kJ/kg Sullabasedeiprecedentidatipossibiledeterminarelaportatadivaporeprodotto nel processo di flah: 908, 8 340, 51000 246, 502646 340, 5 t/hsm= =

e la potenza generata dalla turbina: ( )246, 502646 2407 0, 8 0, 99 129613, 6 kWMP = = 2.6Impianto ad acqua dominante con ciclo binarioNel caso di sorgenti geotermiche ad acqua dominante, una soluzione possibile per la conversionedellenergiageotermicainelettricitfornitadallimpiegodelciclo binario.Unciclobinariosibasasullimpiegodiunfluidocontemperaturadisaturazione notevolmenteinferioreaquelladellacquaaparitdipressione;attraversolo scambio termico con lacqua quindi possibile vaporizzare questo fluido che viene a sua volta utilizzato in un cicloRankine a vapor saturo od Hirn a vapore surriscaldato.Questa soluzione, rispetto a quella dellimpianto a flash di vapore, particolarmente adatta nel caso di sorgenti di acqua a pressione e temperatura piuttosto bassa, infatti intalcaso,dovendoulteriormenteridurrelapressioneinmanierasignificativaper produrreunadeguataportatadivapore,lapotenzaspecificadellaturbina scenderebbeavaloritroppobassi.Inveceutilizzandounciclobinariosempre possibile adottare un fluido di lavoro diverso dallacqua, con idonee caratteristiche di pressione e temperatura.41 Il fluido di lavoro pu essere un fluido organico con basso punto di ebollizione come il propano, lisobutano, il freon o lammoniaca. In figura 2.18 viene riportato lo schema di un impianto geotermico a ciclo binario. Lacquageotermicacedecaloreinunoscambiatorealfluidodilavorocheviene portatoallecondizionidisaturazione,quindivienefattoevaporaree successivamente surriscaldato fino alla temperatura di ingresso della turbina.Ilfluidodilavorosiespandeinturbinaproducendoenergiaelettricamedianteun alternatoreequindivienecondensatoinuncondensatoreasuperficie.Inquesto caso,rispettoaiprecedenti,sideveimpiegarenecessariamenteuncondensatorea superficie, trattandosi di un ciclo chiuso.Un ciclo di questo tipo ovviamente pi pulito dei precedenti, in quanto con si hanno emissioni di gas in condensabili dal condensatore. Il ciclo termodinamico, corrispondente allpianto binario mostrato in figura 2.19. TurbinaCond.Torre di raffredd.GEScambiatoreSerbatoio geotermicoTerraAcqua caldaAcquaCiclo a fluido organicoTurbinaCond.Torre di raffredd.GEScambiatoreSerbatoio geotermicoTerraAcqua caldaAcquaCiclo a fluido organico Fig. 2.18 Impianto ad acqua dominante con ciclo binario 42 Analizziamo ora lo scambio termico che avviene nello scambiatore di calore tra acqua geotermica e fluido organico (figura 2.20) Detti: 13,portata dell'acqua geotermica temperatura dell'acqua geotermica all'ingresso dello scambiatoretemperatura dell'acqua geotermica al pinch point dello scambiatorecalore specifico dellwwwp wmTTC

'acqua 432portata del fluido organico entalpia di liquido saturo del fluido alla pressione del condensatore entalpia di liquido saturo del fluido alla pressione di evaporazione entalpia di vapor saffffmhhh

1,,turo del fluido alla pressione di evaporazione entalpia del fluido surriscaldato in ingresso alla turbina entalpia di fine espansine isoentropica nella turbina temperatura di saturazione deff if shhT l fluido alla pressione di evaporazione salto termico tra acqua e fluido al punto di inizio evaporazione ("pinch point") T Espansione in turbinaEvaporazione CondensazioneRe-iniezioneLaminazioneCICLO A FLUIDO ORGANICOSCAMBIO TERMICO Fig. 2.19 Ciclo termodinamico di un impianto ad acqua dominante di tipo binario T s 43 Si ha: ( ) ( )( )( )( )3 ,.., 1 3 1 3.., 1 31 31 ,da cui si ottiene la portata del fluido di lavoro :Si pu cos calcolare la potenza elettrica generata :e il rw f swp w w w f f fwp w w wff fE f f f i i m eT T Tm C T T m h hm C T Tmh hP m h h = + = == ., 1endimento di sfruttamento della sorgente geotermica:Ew p w wPm C T = Unlimitedicuitenercontoinfasediprogettazionediunimpiantobinario,la minima temperatura raggiunta dal fluido geotermico (T4w): si dovrinfatti controllare che tale temperatura non sia tale da far precipitare i sali disciolti nel fluido in maniera Fig. 2.20 Scambio termico tra acqua geotermica e fluido organico 1w 2w 3w 4w 1f 2f3f 4f 44 non compatibile con i componenti dellimpianto, cos da evitare rischi di corrosione e danneggiamentodeivariapparatiincuiilfluidostessoevolve.Taletemperaturadi reiniezione dipender quindi dalle caratteristiche chimiche del fluido, ma in ogni caso difficilmente potr scendere sotto i 70C. Esercizio 2.3 Calcolarelapotenzaeilrendimentodiunciclobinarioadammoniacaconun surriscaldamento,chesfruttaunasorgentegeotermicaadacquadominantecon temperaturadi150Cedunaportatadi1000t/h.S iconsiderichelecondizionidi raffreddamento esterne allimpianto, siano in grado di mantenere una temperatura al condensatore di 38,7 C e che lo scambiatore acquaammoniaca sia progettato con unpinchpointdi20C.Inoltresiassumaunvalor edi0,8perilrendimento isoentropico della turbina e di 0,98 per il rendimento elettrico dellalternatore. Assumiamo le condizioni termodinamiche dellammoniaca al suo ingresso in turbina pari a 130 Ce 80 bar a cui corrisponde dalle pro priet di stato una entalpia di 1502 kJ/kg ed una entropia di 4,352 kJ/(kgC) Sempredalleproprietdistatosiottengonoleseguenticondizionidisaturazione dellammonia a 80 bar: Temperatura di saturazione 113 C Entalpia del liquido saturo 791 kJ/kg Entalpia del vapore saturo 1371 kJ/kg Si pu quindi calcolare la portata di ammoniaca che evolve nel ciclo: ( )( )3 ,.., 1 31 380 20 1001000/ 3, 6 4,186 (150 100)81, 77(1502 791) C kg/sw f swp w w wff fT T Tm C T Tmh h= + = + = = = = 45 La pressione al condensatore corrispondente alla temperatura di 38,7 C pari a 15 bar, a cui corrisponde una entalpia del liquido saturo di 365 kJ/kg ed una entalpia di fine espansione isoentropica di 1305 kJ/kg. Sipossonocoscalcolarelapotenzaelettricaedilrendimentodi sfruttamento della sorgente geotermica ( )1 ,., 181, 77 (1502 1305) 0,8 0, 99 0, 98 615661560, 0351000/ 3.6 4,186 150 kWE f f f i i m eEw p w wP m h hPm C T = = == = = Dallesercizio precedente emerge come il rendimento del ciclo binario sia abbastanza basso,solo3,5%,rispettoaicicliavaporedominantechepossonoraggiungere rendimenti vicina al 20 %. Questo dovuto al fatto che i cicli binari si applicano come in questo caso a sorgenti geotermicheadacquadominanteedaventientalpiemoltobasse,quandoanche lapplicazionedicicliaflashdivieneproblematicaperilbassolivellodipressione necessario a produrre quantit significative di vapore.Lutilizzazionedelciclobinarioinfattiparticolarmenteadattaallosfruttamentodi sorgentiamassimeentalpia,inquantolutilizzodiunfluidobassobollentediverso dallacqua consente di operare con pressioni relativamente molto pi elevate e quindi con macchine termiche pi compatte e meno costose.Si tratta quindi di una motivazione di scelta, di tipo essenzialmente tecnologico e non di efficienza energetica, anzi la presenza dello scambiatore tra lacqua geotermica ed ilfluidodilavorointroduceunaulterioreirreversibilittermodinamicacon conseguente effetto sul rendimento. Esistono tuttavia soluzioni impiantistiche che consentono di aumentare i rendimento diimpiantiaconcezionebinaria.Unadiquestesoluzioniquelladipensareadun cicloconrigenerazione,incuiilfluidodilavoro,primadiriceverecaloredalfluido geotermico,vienepreriscaldatodalflussoinuscitadallaturbina:talesoluzionesi prestainparticolarepercicliconsurriscaldamento,incuiilfluidodeveviene maggiormente pre-raffreddato prima di essere condensato.46 Fig. 2.21 Impianto binario con rigenerazione: ciclo termodinamico e schema di impianto 47 Unaltra soluzione poi quella dei cosiddetti cicli Kalina, idonei per lo sfruttamento di risorsecontemperaturecompresetrai100edi20 0C.Grazieallutilizzodiuna miscelaH2O/NH3acomposizionenoncostantesiottengonoefficienzediprimo principio maggiori fino al 40% rispetto ad un ciclo Rankine convenzionale. Lutilizzo di una miscela consente infatti di condurre gli scambi termici in fase di evaporazione e condensazioneaTinferiori,diminuendoleperditeexergeticheedottenendo incrementi di secondo principio maggiori del 20% a cicli binari convenzionali. Fig. 2.22 Ciclo Kalina: condensazione (sinistra) ed evaporazione (destra) 2.7 Ottimizzazione termodinamica dei cicliIcicliadacquadominante,siadeltipoaflashchebinariohannoincomune,dal puntodivistatermodinamico,laparticolaritdisfruttareinmanieraindirettauna sorgente termica finita, per produrre il fluido di lavoro da utilizzare nella turbina. Questo fatto fa s che il rendimento di sfruttamento energetico della sorgente dipenda dalla scelta delle condizioni di pressione e temperatura del fluido di lavoro.Infattinelcasochelatemperaturadelfluidodilavorosiasceltapariaquelladella sorgente,simassimizzerebbeilrendimentotermodinamicodelciclo,manonsi avrebbe alcun prelievo di calore dalla sorgente per cui la potenza generata sarebbe nulla. Nel caso opposto in cui si adottasse la minima temperatura possibile del fluido dilavoro,ilprelievodicaloredallasorgentesarebbemassimo,mailrendimento termodinamico del ciclo sarebbe nullo, per cui non si avrebbe alcuna generazione di 48 potenza.E quindi pensabile che esista od esistano condizioni intermedie (nel caso si adottino cicli a pi livelli termici), che massimizzino lo sfruttamento della sorgente. Si tratta quindi di risolvere un problema di ottimizzazione in cui la funzione obiettivo la potenza meccanica o elettrica prodotta dal ciclo a parit di calore disponibile nella sorgente geotermica e le variabili di decisione sono i livelli termici adottati per il ciclo stesso. Per semplicit adottiamo le seguenti ipotesi: Il ciclo termico costituito da un insieme di cicli di Carnot operanti tra i diversi livelli termici e la temperatura dellambienteSi trascurano le differenze di temperatura tra i livelli termici dei cicli di Carnot e le corrispondenti temperature della sorgente calda. Sottoquesteipotesiloschemadiriferimentoquellomostratoifigura2.23,che mostraduesituazioni,corrispondentirispettivamentealcasodelcicloaflashdi vapore ed al ciclo binario. Fig. 2.23 Schemi di riferimento per lottimizzazione termodinamica Con riferimento alla figura 2.23 si ha:TGT0TiCiclo con flash di vapore Ciclo binarioQi, PiTGT0TiCiclo con flash di vapore Ciclo binarioQi, Pi49 10dove la potenza prodotta dall'i-esimo ciclo di Carnotdove il calore utilizzato dall'i-esimo ciclo di Carnotiiiiiii iiGP PPQ QQT TQ QT T+=== 0 1 0 1 01 00 0( ) ( )Le condizioni di temperatura che masimizzano la potenza si possono ottenereuguagliando a zero l'espressione della potenza in fi i i i ii i i ii G i G iT T T T T T T T Q QP Q T T TT T T T T T T | | = = = + | \ 0unzione della temperaturaiPT= Applichiamo ora le formule precedenti al caso di un ciclo con un unico livello termico. 00 10 1021 0 112max 01 0max0 0 max0max11 0211MassimiziamoP:Ilrendimentodelciclo di temperatura T datoda:GGGGGG GGG GGT T QP T T TT T TT T P QT T T TTT T T TTT T T TPQ T TPQ| | = + |\ | | = = | \ | |= = |\ + = == =0 011GT TT T = Si ottiene quindi che nel caso di un ciclo con un unico livello termico, la temperatura ottimaledatadallamediageometricadellatemperaturadellasorgentecaldaedi quella dellambiente (sorgente fredda). Estendiamooralanalisialcasodiuncicloconduelivellitermici.Sempreconle ipotesi precedentemente assunte, si ha: 50 01 0 10 11 02 1 0 20 20 1 01 2 0 20 1 22GGGGGGGT T QP T T TT T TT T QP T T TT T TT T T T QP P P T T TT T T T| | = + |\ | | = + |\ | | = + = + |\ 0 021 0 2 11 022 0 213max 0123 1max max 0 02max001 01MassimiziamoP: dacuilaformulagenerale: GGGGGinG i GG GGT T T P QT T T T TT T P QT T T TTT TTT TT T T TT TTT T+| | = = | \ | | = = | \ | |= |\ | | | |= = ||\ \ = 2 13 30 001 2 1GG GT TTT T( | | | || | | | (|| + || (||\ \ || (\ \ Ilrendimentocalcolatoinquestocasomaggiorediquelloprecedenteecresce introducendo ulteriori livelli termici. Ilmassimorendimentodellasorgentegeotermicasiottieneconuncicloconinfiniti livelli termici; il calcolo del rendimento pu essere effettuato in maniera semplice nel seguente modo: 0 0 00 0 000 00max 00 01 1 1ln1 lnT T TG G GpT T TGGp G GGGT T T QP dQ dT mc dTT T T T TTmc T T T ETT T PQ T T T| | | | | |= = = |||\ \ \ ( | |= = (| ( \ | |= = |\ Daglisviluppimatematiciemergeilfattoovvio,mainteressante,chelamassima potenzaottenibiledauncicloconinfinitilivellidipressione,coincideconlexergia della sorgente calda, EG riferita allambiente. Questo dovuto al fatto che con infiniti 51 livelliditemperaturasiannullanoleirreversibilitlegatealloscambiotermicotrala sorgente calda ed il fluido di lavoro. Dal punto di vista fisico un ciclo ad infiniti livelli di pressionepuessererealizzatosoltantoattraversolimpiegodiunfluidodilavoro operante in condizioni ipercritiche.Einteressanteconfrontaregliandamentidelrendimentoinfunzionedella temperatura della sorgente calda per cicli con diverso numero di livelli di pressione; questo confronto riportato in figura 2.24. Fig. 2.24 Rendimento in funzione della temperatura e del numero di livelli termici Dallafigurasinotachelincrementodirendimentopassandodaunoaduelivellidi temperatura abbastanza significativo, per cui la complessit impiantistica sconsiglia diandareoltretrelivellitermici,almenochenonsiopericonfluidodilavoroin condizioniipercritiche(infinitilivellitermici).Dallafiguraemergecheilrendimento sempre notevolmente inferiore a quello del ciclo di Carnot che opera alla temperatura massima corrispondente a quella della sorgente calda. Purtroppo anche ipotizzando nulleleirreversibilitinterne,unciclodiCarnotdiquestotipoirrealizzabilein queste condizioni a causa della non infinita potenzialit della sorgente calda.Rendimento00.10.20.30.40.50.60.70.80 200 400 600 800Temperatura della sorgente calda (C)1 livello 2 livelli infiniti livelli Carnot52 Tab. 2.2 Caratteristiche di alcuni impianti geotermici reali: a vapore e a flash (tabella sopra) e a ciclo binario (tabella sotto) ImpiantoSecond Imperial Geothermal CoMammoth Pacific unit 1 AmeddeLuogo Herber CA Mammoth CA Wendel CAAnno di avviamento 1993 1985 1988Tipo doppio livello base basePotenza nominale (MW) 40 10 2Potenza netta (MW) 32 7 1,6Vapore/acqua (kg/s) 999 220 205Temperatura (C) 168 169 103Turbina assiale radiale assialePressione di ingresso (bar) - 34 10Pressione uscita (bar) - - 2,8Temperatura di ingresso (C) - 138 83Portata di ingresso (kg/s) - 92 101Fluido di lavoro isopentano isobutano R-114Velocit di rotazione (Gpm) 1800 11050 3600CondensatoreTipo a suprficie a superficie evaporativoCalore scambiato (MWt) 270 80 -Refrigerante acqua aria acquaEvaporatoreTemperatura fluido geotermicoIngresso (C) 168 169 104Uscita (C) 71 75 71Calore scambiato (MWt) 413 87 29PrestazioniConsumo specifico (kg/MWh) 85049 113399 462669Rendimento lordo (%) 44,5 32,4 17,4Rendimento netto (%) 35,6 22,7 13,9Impianto Valle secolo, unit 2 Miravalle, unit 1 BeowaweLuogo Larderello, Italia Guanacaste, Costarica Beowawe, NevadaAnno di avviamento 1992 1994 1985Tipo Vapore diretto Singolo flash Doppio flashPotenza nominale (MW) 57 55 16,7Potenza netta (MW) 52,2 52 16Vapore/acqua (kg/s) 111,1 759,5 157,5Temperatura (C) 204 230 215TurbinaPressione di ingresso (bar) 5,5 6 4,2Pressione secondaria (bar) - - 1Temperatura di ingresso (C) 210 159 146Temperatura secondaria (C) - - 22Portata di ingresso (kg/s) 111,1 114 22,3Portata secondaria (kg/s) - - 12,2Pressione al condensatore (mmHg) 60 94 33Altezza dell'ultimo stadio (mm) - 584 635Velocit di rotazione (Gpm) 3000 3600 3600CondensatoreTipo miscela miscela miscelaCalore scambiato (MWt) 245 243 72Portata di acqua (kg/s) 2785 4234 1474Estrazione incondensabiliEiettore a vapore no si siStadi - 2 1Portata di vapore (kg/s) - 4 -Compressore si si noStadi 2 4 -Potenza (MW) 1,4 0,4 -PrestazioniConsumo specifico (kg/MWh) 7666 52572 35437Rendimento lordo (%) 62,9 31,2 48,7Rendimento netto (%) 57,6 29,5 46,753 3. Componenti di un impianto geotermico 3.1Generalit Laconfigurazionebasediunimpiantogeotermicostatadescrittanelcapitolo precedenteedsimile,perquantoriguardalatipologiadeicomponentipresenti,quelladellecentraliacombustibilifossili.Tuttaviaesistonodifferenzechedevono essere sottolineate. In primo luogo non presente la caldaia, in quanto essa gi resa disponibile dalla natura;infattiilgiacimentogeotermicoaltrononcheunacaldaianaturaleche trasferisceilcaloreendogenoallacquapresente,trasformandolainvaporeodin acqua calda pressurizzata. Limpiantogeotermicoquindiessenzialmentecostituitodaunturboalternatore,da un condensatore e da un sistema di rimozione del calore, quando limpianto non a scarico libero. Tuttaviaquesticomponenti,apparentementeconvenzionali,presentanoalcune particolarit legate alle specifiche condizioni di applicazione. Unaprimaspecificitlegataallecondizionitermodinamichedellasorgete geotermica,cheessendopiuttostobasse,disolitovaporeincondizionidi saturazione,comportanolimpiegodimacchinecheoperanoquasiintegralmentein regimebifase;inoltreleimpuritcontenutenelfluidodilavororichiedonoparticolari attenzioni sia nel progetto fluidodinamica, sia nella scelta dei materiali. Unasecondaspecificitriguardailsistemadicondensazionedelvapore.Infatti poichinquestocasoilcondensatonondeveesserericiclatonellimpiantocome nellecentralifossili,sitendeadadottarecondensatoriamiscela,cheeliminano ancheiproblemidiincrostazioniecorrosionedelfluidogeotermico,chesi verificherebberosullesuperficidiscambio,nelcasodicondensatoreasuperficie. Inoltre, poich il vapore geotermico contiene una certa quantit di gas incondensabili, necessarioprevedereunadeguatosistemadiestrazione,chepuessere realizzato, sia mediante un compressore di aspirazione, che attraverso un eiettore. 54 Infineunaterzaspecificitriguardailsistemadirimozionedelcaloreal condensatore.Comevisto,infatti,ilrendimentotermodinamicodiunimpianto geotermicodecisamentepibassodiquellodiunimpiantoavapore convenzionale: questo significa che, a parit di potenza elettrica prodotta, la quota di calore da dissipare in atmosfera maggiore. Per questo motivo, la progettazione del sistema di dispersione del calore in atmosfera dovr essere effettuata con particolare cura. 3.2 Condensatore Fig. 3.1 Condensatore a superficie (in alto) e a miscela (in basso) Perildimensionamentodimassimadelcondensatoreasuperficie,sipufare riferimento alla teoria degli scambiatori di calore. In particolare, utilizzando il metodo della temperatura media logaritmica, valgono le seguenti relazioni: ) T (T c m Qi u pw. . =H m Qlatv. .=Vapore Vapore Uscita Acqua Ingresso Acqua Acqua ingresso raffreddamento Condensato Condensato Estraz. gas Estraz. gas Acqua uscita raffreddamento 55

T TT TlnT TUS Qu ci ci u.=doveconTieTusiintendonoletemperaturediingressoeuscitadalcondensatore dellacquadiraffreddamento,conTclatemperaturadicondensazione,conUil coefficiente globale di scambio termico e con S la superficie di scambio. Con alcuni passaggi algebrici possibile scrivere: k -k -ik -ukpw.v.ukki ukkikuce - 1eh Te - 1hT) e (1 c mh mTe 1e T Te 1eTe 1TT + = + =+ ===avendo posto pw.c mUSk=e pw.v.c mh mh = .In particolare, nel limite di = S , si ha u cT T = : questo il caso del condensatore a miscela,incuilacquacondensatrice,polverizzatainminutegocciolinerealizzauna superficie di scambio molto elevata, avvicinando la temperatura di condensazione a quella dellacqua condensatrice.0510152025303540455010 15 20 25 30 35 40Tin (C)Tcond (C)0,5 1 1,5 2 2,5 3 Fig. 3.2 Curve di funzionamento del condensatore K 56 Inunnormaleimpiantotermoelettrico,uncondensatoreasuperficiepresentaper alcuni svantaggi: -Ilcondensatononpuessererimessoincicloamenochelapurezza dellacqua condensatrice sia la stessa del vapore -Erichiestounnotevoleconsumodienergiaperestrarredalcondensatore, insieme al condensato, anche lacqua condensatrice, la cui portata circa 50 volte quella del condensato Negliimpiantigeotermiciquestisvantagginonvalgonoperchlacquanonviene recuperatanelciclotermicomavienereiniettatanelpozzogeotermico,per incrementare la produzione di vapore. Nel grafico, landamento della temperatura di condensazioneinfunzionedellatemperaturadiingressodellacquadi raffreddamento, per un prefissato valore di h e diversi valori di k. 3.2Compressore per gli in condensabili Fig. 3.3 Schematizzazione del processo di compressione Sigivistocomelapotenzanecessariaperestrarregliincondensabiliportandoli da una pressione p1 e da una temperatura T1 (condizioni di condensazione) ad una m, p1, T1 m, p2, T2 W T S T2 T2is T1 P2 P1 57 pressionep2(pressioneambiente),conilsignificatodeisimboliillustratonei precedenti capitoli, possa essere cos espressa: ( ) ( ) 1 T mCT TmCWT TT TTTk1 keppeis m1 p1 2mp1 21 is 2,is1is 2, e12 = ==== = Sesipensadifrazionarelacompressioneinduestadiinterrefrigerati,caratterizzati da rapporti di compressione 1 e 2, tali che 1 2=, ipotizzando di avere anche per il secondo stadio una temperatura di ingresso T1, vale che: ( ) ( )|||

\| + = + = 2 K 1 T C m1 T C mWe1ee1e2is m1 p.e1is m1 p. avendo posto is m1 p. T C mk= . Fig. 3.4 Compressione interrefrigerata E possibile quindi calcolare il valore ottimale di 1 (e quindi di 2) tale da minimizzare il lavoro di compressione: T S 58 ( ) = =|||

\| = = opt , 1e 21e1 e1e 1 e11 e110 1 ke e e KW La minima potenza si riesce ad ottenere, quindi, quando il rapporto di compressione totalevieneequamenteripartitotraiduestadi,ovveroquandoiduerapportidi compressionesonougualiallaradicequadratadelrapportodicompressionetotale. Generalizzando, possibile dimostrare che, nel caso di n stadi interrefrigerati: n1opt , i =Nelgrafico,landamentodellapotenzadicompressioneminimapercompressoria diverso numero di stadi interrefrigerati: Fig. 3.5 Compressione a pi stadi interrefrigerati 3.4 Eiettore Leiettoreunsistemadiestrazionedegliincondensabilidalcondensatoreche,a differenzadelcompressore,nonhabisognodienergiaelettricacomeinput,madi una determinata portata di vapore, da sottrarre al flusso da espandere in turbina. In pratica,leiettoreuncondottoconvergente-divergentechesfruttalentalpiadiun 10020030040050060070010 15 20 25 30 35 40Rapporto di compressionePotenza specifica (kJ/kg)1 2 3 4 559 fluidomotore(ilvapore),cosdacreareunadepressioneerichiamareilfluidoda aspirare (gli incondensabili). Fig. 3.6 Eiettore, principio di funzionamento Si possono distinguere tre fasi: - Espansionedinamica(aumentodivelocit,riduzionedellapressione)del fluido motore - Richiamo del fluido trascinato e miscelamento - Ricompressione dinamica ed estrazione della miscela Formulandoleequazionidibilancio(massa,energiaequantitdimoto)perletre fasi,possibilecalcolarelaportatadivaporenecessariaadestrarrelaportatadi incondensabili. Fase 1: Espansione dinamica Conriferimentoallanumerazioneinfigura,sipuscriverelaconservazione dellenergia in forma termodinamica, che per un condotto, con le ipotesi di assenza di Fluido motore (b) Espansione Miscelazione Compressione Scarico Pressione (b) (a) (a)+(b) 0 1 3 2 Fluido trascinato (a) 60 scambio di calore e di lavoro meccanico, e trascurando i termini potenziali, si riduce a: 1 b21 b0 b20 bh2ch2c+ = +Ipotizzando trascurabile il termine cinetico nello stato 1, e ipotizzando per semplicit che per il vapore surriscaldato valga: ebo1 b0 b1 b0 b1 bPPTThh|||

\|= = conk1 ke=con alcuni passaggi si pu scrivere: e01b0 b1pp1 2h c|||

\| =Fase 2: Richiamo del fluido trascinato e miscelamento Il bilancio entalpico del miscelamento: 3b.a.b1b.a1a.)h m m ( h m h m + = +Mentre la conservazione della quantit di moto: 2b.a.b1b.a1a.c ) m m ( c m c m + = +Introducendo poi a.b.mmm = , si calcolano le due incognite h3 e c2, ponendo ca1=0: m 1h m hhb,1 a,13+ += b1 2c1 mmc+=Fase 3: Ricompressione Trascurando lenergia cinetica allo scarico, il bilancio energetico risulta: 2ch h222 3+ =In maniera analoga a quanto scritto per la fase 1, si potr scrivere che: 61 e323232ppTThh|||

\|= =ponendo allora a0b0hhh = , si ottiene: e01e32e32pppppp1mh|||

\||||

\||||

\|=Per quanto riguarda i vari termini: -il termine h noto una volta note le condizioni termodinamiche iniziali dei due fluidi -p0 la pressione del vapore in entrata allentrata delleiettore -p3 la pressione allo scarico, assumibile circa pari alla pressione atmosferica -p2, p1 possono essere in prima approssimazione uguagliate alla pressione del condensatore, dove si trovano gli incondensabili da estrarre E quindi possibile calcolare il termine m, e quindi la portata di vapore necessaria. 012345620 40 60 100 120 140 160 200Pressione fluido motore/Pressione fluido trascinatoPortata fluido motore/Portata fluido trascinato1 1,2 1,4 1,6 1,8 2Entalpia fluido motore/Entalpia fluido trascinato Fig. 3.7 Curve di funzionamento di un eiettore 62 3.5 Torre di raffreddamento La torre di raffreddamento il componente dellimpianto atto alla rimozione del calore dal condensatore e alla sua dispersione in atmosfera. Si possono avere tre tipologie di torri di raffreddamento: -Ad umido a tiraggio naturale -Ad umido a tiraggio forzato -A secco

Nelle torri di raffreddamento ad umido il calore viene sottratto in parte dallaria ed in prevalenza per evaporazione dellacqua (80%). Il vantaggio in termini di consumo di acqua rispetto ad una refrigerazione a ciclo aperto pu essere quindi stimato in prima approssimazione: ciclo aperto:T c m Qpca.cond. =Fig. 3.8 Torre evaporativa a tiraggio naturale (in alto) e a tiraggio forzato (in basso) 63 torre a umido:lattu.cond.H m Q 8 , 0 =dove: Qcond= calore da asportate dal condensatore mci= portata dacqua in ipotesi di scambio termico con corpo idrico esterno cp= calore specifico dellacqua (4,2 kJ/kgK) T= salto termico dellacqua di raffreddamento (es: 10C) mtu= portata dacqua in ipotesi di torre a umido Hlat= calore latente di evaporazione (circa 2400 kJ/kg) per cui: 701HT c 8 , 0mmlatpci.tu.=Nelle torri a umido a tiraggio naturale il moto dellaria che deve attraversare la torre nonindottodanessuntipodiventilazioneartificiale,sfruttandoquindilostesso fenomenodievaporazioneeladiversadensitdellamisceladariaumida.Al contrario,nelletorriatiraggioforzatolamovimentazionedellariaaffidataad appositemacchineoperatricialimentatedapotenzaelettrica,sottrattaalla produzionedellimpianto.Nelprimocasosihaquindiunrendimentonetto dellimpianto pi elevato, nel secondo caso, a fronte di una riduzione nellefficienza si hanno dimensioni della torre decisamente pi contenute. Diversoinveceilfunzionamentodelletorriasecco:inquestocaso,ilflussodi caloredalcondensatoredispersoinatmosferautilizzandosoloariaseccacome fluidotermovettore:ilconsumodiacquaquindinullo,manotevoleilconsumo degli ausiliari necessari alla movimentazione dellaria, a causa dellelevata portata da elaborare. Inoltre, anche i costi legati alle superfici dello scambiatore acqua-aria per realizzare lo scambio termico sono notevoli, a causa dei bassi coefficienti di scambio convettivolatoaria.Nelraffreddamentocontorreasecco,larefrigerazionepu avvenireinmanieradiretta(inpratica,condensatoreetorrecoincidono,esono costituiti da uno scambiatore liquido-aria) o indiretta (con circuito intermedio). 64 Fig. 3.9 Torre a secco Refrigerazione diretta e indiretta Inognicaso,siricordachelapotenzaelettricaassorbitadaunsistemadi movimentazione dellaria Wmov pu essere cos stimata: m ariaaria.mov1 p mW =dove: maria= portata daria da elaborare p= caduta di pressione dellaria nellattraversamento del componente aria=densit dellaria m= rendimento meccanico/elettrico Tale potenza deve quindi essere sottratta, nel computo del rendimento, dalla potenza generatadallespansioneinturbina.Equindifondamentale,perilcalcolodella potenza assorbita, conoscere la portata daria da elaborare. Si dovr poi avere cura di progettare le apparecchiature in modo da minimizzare le perdite di carico (caduta di pressione) che inevitabilmente occorrono nellattraversamento delle stesse. Nel caso della torre a secco, la portata daria pu essere stimata da un bilancio del tipo: Qcond=maria cp,aria Taria fissando un opportuno valore del salto termico,ad esempio: Taria = Tmax - T = Tcond - T - Tamb aria di raffreddamento vapore aria di raffreddamento circuito intermedio condensato vapore condensato 65 avendo indicato con Tcond la temperature di condensazione, con Tamb la temperatura ambiente dellaria, e con T un opportuna differenza terminale (si ricorda che un T nullo comporterebbe superfici di scambio infinite).Picomplessoilcalcolodellaportatadaria(edellaportatadacquadireintegro) necessaria nel caso di una torre evaporativa ad umido. Per limpostazione del problema, sono note: ingresso miw (dal bilancio sul condensatore) Tiw (temperatura in uscita dal condensatore) Tia (temperatura ambiente) Viene poi fissata la temperatura di uscita dellacqua Tuw a partire dalla temperatura di bulbo umido Tbu dellaria in condizioni ambiente. Tbu pu essere ricavata dal grafico dellaria umida: si individua il punto con le coordinate corrispondenti alla temperatura dibulboseccoeallumiditrelativadellariaambiente(es50%),sirisalelungola lineadisaturazioneadiabaticafinoallacurvadiumiditrelativa100%:la temperatura di bulbo umido la temperatura letta in ascissa. Si pu poi fissare Tuw = Tbu + A, con A pari a circa 5C. E poi possibile calcolare lentalpia specifica dellaria in ingresso hia: iw uw risp ia ua ev tr ia =ingresso aria ua = uscita aria iw = ingresso acqua dal condensatore uw = uscita acqua di ritorno al condensatore ri = acqua di reintegro sp = acqua di spurgo ev = acqua evaporata tr = acqua trascinata 66 hia = cp,a ( Tamb T0 ) + xia (Hlat + cp,w (Tamb T0) ) = xia Hlat + cs ( Tamb T0 ) indicando concs= cp,a + xin cp,w xia=umiditspecifica(ricavabileanchessadaldiagrammadellariaumida, leggendoilvalore,perladatacoppiaditemperaturaeumiditspecifica, sulla relativa asse delle ordinate) T0= temperatura di riferimento, 0C Fig. 3.10 Determinazione della temperatura di bulbo umido e dellumidit specifica sul diagramma dellaria umida Questoilbilancioentalpicosullinteratorre(considerandochemia=mua=mae miw=muw=mw, e trascurando il contributo delle altre portate): ma ( hua hia ) = mw cp,w ( Tiw Tuw ) Sihannoperdueincognite:maehua.Siconsideriorailbilancioperunasezione generica della torre: TbuTamb sat. ad. 67 equazione della retta di lavoro sul piano (h T): mc m ) T - (T) h - (ha.w p,w.uwia= EpossibiletracciarelarettadilavorosulpianohT:lapendenzadatadal secondo membro della precedente equazione, inoltre passante dal punto (hia, Tuw): in particolare, la pendenza della retta tangente alla curva dellentalpia dellaria satura corrisponde alla portata daria minima necessaria: Fig. 3.11 Retta di lavoro della torre evaporativa Unavoltaindividuatoperviagraficailpuntoditangenza(h,T),possibile determinare la portata daria minima: w p,w.iauwmin a,.c m) h - (h') T (T'-m =Si sceglie poi una portata daria ma = 1,5 ma,min. mw T ma h mw Tuw ma hia Tuw hia h T 68 Aquestopunto,dallequazionedibilanciosullinteratorre,scrittainprecedenza, possibile ricavare lentalpia dellaria in uscita hua. Ipotizzandodiessereincondizionidisaturazione,poipossibile,perviagrafica, determinare lumidit specifica dellaria in uscita: Fig. 3.12 Determinazione dellumidit specifica dellaria alluscita dalla torre E quindi possibile determinare la portata dacqua che evapora: mev = ma ( xua xia ) Mentrelaportatadacquapersapertrascinamentopuesserestimata indicativamente come lo 0.2% della portata dacqua in ingresso alla torre.Restanodadeterminareleportatedacquadireintegroedispurgo.Laportata dacquadispurgonecessariapercontenereillivellodisalidisciolti,evitando accumulinellatorre.IndicandoconYleconcentrazionideisali,possonoessere scritti i seguenti bilanci di massa: miw + mri = muw + mtr + mev + msp Yricircolo mtr + Yricircolo msp = Yreintegro mri le cui uniche incognite, stabilite le concentrazioni, sono mri e msp. hua xua 69 Fig. 3.13 Diagramma termodinamico dellaria umida 80828486889092940 20 40 60 80 100UR (%)Qlat/Q (%)20 C25 C30 C Fig. 3.14 Curve di funzionamento di una torre evaporativa, a portata daria prefissata, per diversi valori di temperatura di bulbo secco e di umidit relativa 70 3.6 Ulteriori componenti dellimpianto Pozzi di estrazione Per poter avere i processi di trasformazione dell'energia del fluido in energia elettrica si deve opportunamente "estrarre" ed incanalare il fluidogeotermico(acquaovapore)dalsuolo;sieffettuatale estrazione(anchesespessoifluidigeotermici tendonoaduscirespontaneamentedalsuolo) medianteicosiddettipozzidiestrazione. Ipozzidi estrazione che vengono perforati oggi hanno una profondit che pu variare tra i 60 ed i 4000 m Vapordotti Daipozzidiestrazione partonoletubazioniin acciaio,vapordotti,che trasportanoilfluidocaldo all'edificiodellacentrale geotermoelettrica.Sono realizzatiinlamieradi acciaioinoxedhanno sezionecircolare;siusa l'acciaioinoxpergarantire unalungaduratadelletubazioni,ancheconsiderandoilfattocheifluidigeotermici sono spesso costituiti da acqua (sotto forma di vapore o liquido) con in sospensione altre sostanze. Turbina a vapore Laturbinailcomponentemeccanicocheconsentelatrasformazionedell'energia potenziale del vapore (pressione) in energia meccanica.71 Siusanosolitamenteturbinead"azione"realizzatecompletamenteinacciaio inossidabilepergarantirneunalungadurata(ilfluidogeotermicononcostituito solamente da acqua). Laturbinacostituitaessenzialmentedaunapartemobileedaunapartefissa. La parte mobile la girante, formata dal rotore a cui sono attaccate le pale; le pale sonoglielementipisollecitatidiunaturbina(forzacentrifuga,azionedelfluido, fenomenidifaticaedirisonanza)edilloroprofilodevegarantireunbenpreciso percorso al flusso del fluido.La parte fissa il guscio che racchiude tutti gli organi interni della turbina. Come noto dagli insegnamenti di Macchine: -Stadioadazione:lespansione avvienetuttanellostatore,cosda consentire la parzializzazione della portata -Stadioareazione:lespansioneparzializzatatrastatoreerotore;haun migliorrendimentodiquelloadazionemalariduzionediportatapuessere fattasololaminando,ilchedeterminaunpeggioramentodiprestazioniai carichi parziali Fig. 3.15 Schema di una turbina a vapore con stadio ad azione in testa a stadi a reazione Stadio ad azioneStadio a reazione 72 Fig. 3.16 Diverse modalit di funzionamento di turbine a vapore Pompa Operandoilprocessoinversodelleturbine,lepompe consentonoditrasformarel'energiaconcuisono azionateinenergiapotenzialeidraulicasollevando l'acqua a un livello superiore a quello di alimentazione. Negli impianti geotermici vengono usate per riportare i fluidi ricondensati nel terreno. Generatore di corrente Il generatore di corrente (o alternatore) quell'elemento del sistema che trasforma l'energiameccanicadirotazionedella turbina in energia elettrica; solitamente si usanoalternatoriditiposincrono,che fornisconodirettamentecorrente alternata(AC)trifase.L'alternatore presente nei gruppi unificati ENEL fornisce corrente elettrica alla tensione di 6 kV.Espansione ideale isoentropica Espansione reale in turbina a reazione al massimo carico Espansione reale con stadio ad azione in testa alla turbina a reazione al massimo carico Espansione reale in turbina a reazione a carico ridotto Espansione reale con stadio ad azione in testa alla turbina a reazione a carico ridotto H S Pressione vapore Pressione ruota al carico massimo Pressione ruota a carico ridotto Pressione allo scarico 73 Quadri di controllo I quadri di controllo servono per monitorare il corretto funzionamento dell'impianto; in particolarelepartielettriche,meccanicheeidraulichedell'impianto(adesempiola pressionenelletubazioni,l'azionamentodellevalvole,letemperaturedeivarifluidi ecc...).Perquantoriguardalaparteelettrica,siinstallanotraimorsettidel generatoreelalineaelettricadeidispositivichecontrollandoilfunzionamentodella macchina,laproteggono,lamettonoinparalleloconlareteolastaccanodalla stessaincasodiguasto.Ilcontrollosirealizzamedianteapparatipiomeno sofisticatichemisuranolatensione,l'intensitelafrequenzadellacorrentein ognuna delle tre fasi, l'energia prodotta dal generatore ed altri parametri. Trasformatore Iltrasformatorehala funzionediinnalzarelatensione dellacorrenteinuscitadall'alternatoreallivellodella tensionedellalinea(chepuessereamediaodalta tensione,adesempio132kV);iltrasportodella correnteelettricaavvieneinfattiadaltatensioneper ridurre le perdite per effetto Joule lungo la linea. 74 75 4. Il contenimento delle emissioni Sipivolteparlato,inprecedenza,dellapresenzadigasincondensabilimistial fluidogeotermico:inparticolare,sisonoillustratelepossibilesoluzioniatte allaloro estrazione dal condensatore.Si forniscono ora alcuni elementi riguardo al loro trattamento prima della immissione inatmosfera.Inparticolare,cisisoffermersulprocesso,sviluppatodaENEL,per labbattimento dellidrogeno solforato (H2S) e del mercurio. 4.1 Il processo AMIS IlprocessoAMIS(AbbattimentoMercurioeIdrogenoSolforato)statosviluppato dallENEL al fine di ridurre limpatto ambientale delle centrali geotermiche con ciclo a condensazionepresentisulterritoriotoscano.Vienetrattatoquasiinteramenteil mercuriopresentenelfluidogeotermicoelapartedellH2Ssolfidricopresentenel gas incondensabile (che rappresenta la percentuale maggiore). Nel2003questoprocessoharicevutoilpremioallinnovazioneamicadellambiente da parte di Lega Ambiente. LH2S un gas corrosivo e riducente, pericoloso quindi a livello tecnologico. In realt, i limiti imposti dalla legge sulle sue emissioni non comportano quasi mai un problema per gli impianti in questione: il vero problema ambientale dato dal cattivo odore (di uovomarcio)chetalegasemana,eilbassolimitedellapercezioneolfattiva(0.7- 14ug/m3).TaleproblematantopiconsistentesesipensachelaquotadiH2S presentenelgasincondensabile(echevienequinditrattatadallAMIS)rappresenta circal80%deltotale:ilrestante20%sidissolvenellacquainuscitadal condensatore,epuquindiessereimmessoinatmosferaattraversolatorre evaporativa. La tipica composizione del fluido geotermico la seguente: -Rapporto Gas/Vapore: 3 - 5% (sono possibili rapporti G / V fino a 20-30%) 76 -Composizione del gasda trattare: CO280 - 90%H2O10 - 25 % H2S 0,5 -1,5 %O22 - 3 % CH43 -5 %Hg Tracce H2 2 4 %AsTracce Questiilimitidileggesuiprincipaliinquinantidiinteressenellageotermia (D.M.12/07/90): -Acido Solfidrico (H2S) : 70-100 mg/m3, per un flusso di massa superiore a 170 kg/h -Arsenico(As)(comesalidiscioltinellacquatrascinata):1-1,5mg/m3,perun flusso di massa superiore a 0.5 g/h -Mercurio(Hg)(comesalidiscioltinellacquatrascinata):0,20,4mg/m3per un flusso di massa superiore a 1 g/h Il processo di abbattimento dellH2S e del Hgsi svolge in tre stadi: -Adsorbimentodelmercuriopresenteinfasegassuunlettofisso:supporto ceramicoimbevutodiselenio(temperaturaoperativa6080C),talvoltasi usa anche carbone attivo Hg+Se HgSe -OssidazionecataliticadiH2SadSO2:ilcatalizzatoreutilizzatoossidodi titanio TiO, la temperatura di funzionamento intorno ai 420C, leccesso daria del 3%. Questa la reazione di riferimento: H2S + 3/2 O2SO2 + H20 77 -AssorbimentoinacquadellaSO2prodottainunatorreariempimento, secondo lequilibrio: SO2 + H2OSO3- + H2+ L'equilibriodellareazionetantopispostatoadestraquantopil'acqua destinataall'assorbimentohapHbasico.Asecondadellecaratteristichedel fluido geotermico, possibile ottenere l'abbattimento senza aggiunta di alcali, grazie all'NH3 naturalmente presente, altrimenti per evitare poi che si abbassi eccessivamenteilvaloredelpHdelleacquedicondensadestinateallere-iniezione,necessarioaggiungereunabaseforte(NaOH)conconsiderevole aumento dei costi di esercizio. Queste le efficienze tipiche delle varie sezioni di trattamento: FASEEfficienza Adsorbimento di Hgoltre il 99% Ossidazione catalitica di H2Soltre il 95% Assorbimento di SO2oltre il 90% IlsistemaAMISpresentatuttaviaalcuniproblemi.Inparticolare,sonoallostudio sistemiinnovativi,adesempiopereffettuareancheiltrattamentodellecodediH2S contenutenelliquidodelcondensatoreamiscela,lutilizzodiunprocessodeltipo ClausperlossidazioneparzialedellH2Sazolfoelementare,inmododaevitare eccessi di acidit dellacqua di raffreddamento. Infigura4.1vieneriportatoloschemaablocchidelprocessoAMISintegrato nellimpianto geotermoelettrico: 78 Fig. 4.1 Impianto geotermico con sistema di abbattimento degli inquinanti AMIS G HgH2S SO2 SO2 UNIT AMIS VAPORE PROVENIENTE DAL POZZO GEOTERMICO INCONDENSABILI CONDENSATO ACQUA DI TORRE 1 2 4 3 5 6 78 9 10 1Turbina6Interrefrigeratore 2Condensatore a miscela7Adsorbitore 3Pompa8Reattore di ossidazione catalitica 4Torre di raffreddamento9Colonna di assorbimento 5Compressore a 2 stadi10Pozzo di reiniezione 79 5. Cicli avanzati 5.1 Cicli combinati Gli impianti combinati utilizzano: -Impianto a flash che sfrutta il vapore -Ciclo ORC (bottoming) che utilizza il liquido separato Lottimizzazione dei parametri TD chiave (Pflash) deve tener conto dellintegrazione dei due cicli: una pressione di flash bassa riduce sia la portata che la temperatura del fluido riscaldante del ciclo ORC. Fig. 5.1 Ciclo combinato flash-binario 5.2 Impianti ibridi Lobiettivodegliimpiantiibridiquellodiintegraregliimpiantigeotermiciabassa entalpiaconaltrefontienergetichealloscopodiincrementarelapotenzaeil rendimento. Vengono illustrate tre possibili soluzioni impiantistiche dintegrazione: 80 -Topping di impianti geotermici con combustione di biomasse -Toppingdiimpiantigeotermiciconsolaretermodinamicoaspecchi parabolici lineari -Integrazione di fonti geotermiche in cicli combinati Topping con combustione di biomasse Fig. 5.2 Impianto combinato biomasse-geotermico Ivantaggidiunoschemadiquestotiposonodatidallincrementodellefficienzae dellapotenzadafonterinnovabile.Esistonotuttaviacriticitlegatealleemissionie alla disponibilit del combustibile. C GE TBiomasse Aria Fumi CCiclogeotermico Combustione biomasse 81 Topping con solare a specchi parabolici Fig. 5.3 Impianto combinato solare termodinamico-geotermico Anche in questo caso possibile ottenere un incremento sia dellefficienza che della potenzaprodottadafonterinnovabile.Lecriticitsonoinvecelegateallanon continuitdellafontesolareealfabbisognodivasteareeperlinstallazionedegli specchi. 00,10,20,30,40,5150 170 190 210 230 250Temperatura della fonte geotermica (C)Incremento relativo del rendimentoSerie1Serie2Serie3 Fig. 5.4 Effetto dellincremento di temperatura da fonte esterna sul rendimento C GE TCiclogeotermico Impianto solare DT=100 C DT=150 C DT= 50 C 82 Nelgrafico,vengonomostratiipossibileincrementidiefficienzaedipotenzain funzione della temperatura a cui disponibile la risorsa geotermica, e per vari valori di aumento della temperatura massima del ciclo. Integrazione della fonte geotermica nel ciclo combinato Fig. 5.5 Impianto geotermico in parallelo a un ciclo combianto Comesivedenellafigura,inquestocasolafontegeotermicapostainparallelo allimpiantoaciclocombinato:unaconfigurazioneinserienonavrebbesensoin quanto un eventuale preriscaldamento dellacqua del ciclo di bottoming allentrata del generatoredivaporearecuperocomporterebbelaperditadipartedellenergiadei fumi di scarico del turbogas. In questo caso, quindi, leffetto quello di un aumento dellapotenzadafonterinnovabileinunimpiantooriginariamenteafonte completamente fossile: lefficienza termodinamica del ciclo viene per ridotta: GEO . in CC , inGEO GEO , in CC CC , inGEO CCQ QQ Q++=+ C CC C T GEGETCiclo combinato Fontegeotermica 83 5.3 Rocce calde secche Isistemigeotermiciaroccecaldesecche(iningleseHDRHotDryRock)sono sistemigeotermicicaratterizzatidaunadeguatatemperaturamadaassenzadi acqua e da una bassa permeabilit della roccia. Lo sfruttamento di questi giacimenti reso possibile attraverso lidrofratturazione. Il primo progetto Rocce Calde Secche (HDR Project) stato avviato negli Stati Uniti nei primi anni 70: attraverso un pozzo appositamente perforato, acqua ad alta pressione viene pompata in una formazione di roccia calda compatta, provocando la sua fatturazione idraulica. Lacqua penetra e circolanellefrattureprodotteartificialmenteedestraeilcaloredallerocceche funzionanocomeunserbatoionaturale.Questoserbatoiovienepoiraggiuntoed intersecatodaunsecondopozzousatoperestrarnelacqua,chehaacquistato calore.Ilsistemacostituitodalpozzo(i)usatoperlafratturazioneidraulica, (i) (i) (ii) (iii) (i) (ii) Fig. 5.3 Sfruttamento di un sistema geotermico a rocce calde secche 84 attraverso il quale acqua fredda iniettata nel serbatoio artificiale (ii) e dal pozzo (iii) per lestrazione dellacqua calda. Lintero sistema, comprendente anche limpianto di utilizzazione in superficie, forma un circuito chiuso, evitando ogni contatto tra il fluido elambienteesterno.Losfruttamentodellacquacaldaprelevataavvieneattraverso lo scambio termico con un ciclo organico a bassa entalpia. Lo sfruttamento a fini energetici di siti HDR presenta al momento una serie di criticit, cos riassumibili: -Difficoltnellaperforazionedipozziconnotevoledeviazionerispettoalla verticalenecessariaperviadellanotevoleestensionedelgiacimento sotterraneo -Necessitdieffettuareperforazioniinroccedimaggioredurezzae compattezza rispetto alle perforazioni petrolifere -Necessit di perforazioni a notevole profondit per avere temperature della roccia superiori a 200C; a temperature inferiori l a tecnologia non fattibile in termini economici -Difficoltdiintercettazionecorrettadelgiacimentonellaperforazionedel pozzo di estrazione -Rischiodisismicitindottadallaidro-fratturazioneedalpassaggio dellacqua -Consumo di acqua legato alle perdite nel giacimento sotterraneo; nei primi progetti in USA si sono raggiunte perdite quasi del 30% 85 6. Considerazioni economiche 6.1 Costo medio livellato dellenergia Unostrumentomoltoutilepereffettuarevalutazionidicarattereeconomicosulla fattibiliteconomicadiuninvestimentoincampodiproduzioneenergetica,eperla valutazionecomparativa(sempredalpuntodivistaeconomico)didifferenti tecnologie di produzione, il cosiddetto costo medio livellato dellenergia (in inglese LEC Levelized Energy Cost, oppure LCOE Levelized Cost Of Energy). Dallateoriadellanalisidegliinvestimenti,possibileschematizzarecomeproposto in tabella i flussi finanziari legati ad un certo progetto di investimento: Flusso Flusso attualizzato Anno 0InvestimentoII Anno 1 Costo del personale Costo del combustibile Ritorno dalla vendita di elettricit Cp Cc N*S Cp/(1+i) Cc/(1+i) N*S/(1+i) Anno k Costo del personale Costo del combustibile Ritorno dalla vendita di elettricit Cp Cc N*S Cp/(1+i)k Cc/(1+i)k N*S/(1+i)k Anno n Costo del personale Costo del combustibile Ritorno dalla vendita di elettricit Cp Cc N*S Cp/(1+i)n Cc/(1+i)n N*S/(1+i)n Tab. 6.1 Tabella per lanalisi di un investimento Avendo indicato con n gli anni di vita stimata per linvestimento, con N il quantitativo annuodi energiavendibileprodotta dallimpianto,conSilprezzodivendita,coniil tassodisconto(generalmentepuesserepresoparial5%),vienedefinitoVAN Valore Attualizzato Netto (in inglese NPV Net Present Value) la seguente quantit: 86 nn n1 kki) i(11 1) (iS) N Cc - (-Cp -Ii) (11S) N Cc - (-Cp -I VAN+ + + + =+ + + == ricordando che: ==n1 knk1 q) 1 q ( qq Risolvendo rispetto a S dopo aver posto VAN=0, si ottiene: LECNCc Cp A IS =+ + =con n) i 1 ( 1iA+ =(fattore di attualizzazione) Inpratica,ilLECrappresentailprezzodivenditachesidovrebberealizzareper avere il pareggio (break even) alla fine della vita dellinvestimento. Tab. 6.2 LEC di varie tecnologie a confronto 87 Nellatabella,sonoriportati(in$/MWh)icostimedilivellatiperdiversetecnologiea confronto,secondounostudiodelDoE(DepartmentofEnergy)degliUSA.Intale studio,comesivede,icostisonosuddivisiincostidinvestimento(capitalcost),in costifissidigestioneemanutenzione(fixedoperationandmanteinance),costi variabilidigestioneemanutenzione,compresoilcombustibile(fixedoperationand manteinanceincludingfuel).Nonsonoinclusi,neivaloririportati,eventualiincentivi (quali ad esempio possibili agevolazioni fiscali). Oltre che per un confronto diretto tra le tecnologie, la stima del LEC, confrontata con quellocheilprezzomediodimercatodellenergiaelettrica,puessereutileper caprieseunataletecnologiacapacediautosostenersiosehabisognodi incentivi per poter sopravvivere. Nellatabellasuccessiva,icostidimassimaperdiversetipologiediimpianto geotermico: Tab. 6.3 Costi per diverse tipologie di impianto geotermico TipoCosto del pozzo geotermico (E/kWe)Costo dell'impianto (E/kWe)Costo complessivo di installazione (E/kWe)Costo annuo di esercizio e manutenzione(% costo installazione)Vapore diretto 400 600 1000 3Singolo Flash 400 2000 2400 3Doppio Flash 400 1800 2200 3Binario 400 2600 3000 3