Dipartimento di Energetica “L. Poggi”Largo Lucio Lazzarino – 56126 PISA

Alessandro Franco

Ferrara, 23 Settembre 2009

Corso di Laurea in

INGEGNERIA ENERGETICAAlessandro Franco

alessandro.franco@ing.unipi.it

PROGETTAZIONE OTTIMIZZATI DI IMPIANTI A CICLO BINARIO PER CAMPI GEOTERMICI A MEDIA E BASSA ENTALPIA

Struttura della presentazione- Risorse geotermiche (breve classificazione)

- Utilizzazione delle risorse geotermiche per la generazione elettrica

- Tecnologia dei cicli binari: stato dell’arte

- Criteri e linee guida per la progettazione di impianti a ciclo binario

- Ottimizzazioni e analisi di sensibilità

- Analisi dettagliata di alcune soluzioni impiantistiche

- Conclusioni

Premessa

L’utilizzazione delle risorse geotermiche a media entalpia utilizzando la tecnologia dei cicli binari suscita molto interesse per la possibilità di

- utilizzare un elevato numero di campi geotermici non diversamente utilizzabili- conferire un carattere di reale “rinnovabilità” alla risorsa geotermica- non produrre emissioni inquinanti- non richiedere risorse di acqua

Risorse geotermiche

Potenza installata (MW)

State 1990 1995 2000 2005 2007

USA 2775 2816 2228 2564 2687

Filippine 891 1227 1909 1930 1968

Indonesia 145 310 590 797 992

Messico 700 753 755 953 953

Italia 545 632 785 790 810

World 5832 6833 7972 8933 9732

Si hanno quattro tipi di risorse geotermiche: idrotermali, geopressurizzate, rocce calde(hot dry rock) e magma. Solamente le risorse idro-termali sonoutilizzate a livello commerciale.

Disponibilità: è disponibile 365 giorniall’anno per 24 ore al giorno

Il trend della generazione geotermoelettrica è di crescita non forte ma costante

Breve rassegna sugli impianti geotermoelettriciCAMPI A VAPORECAMPI A VAPORE

Impianti piuttosto semplici dal puntodi vista concettualeNel mondo solo 6: Geysers (CA), Italia (Larderello) Iceland, Indonesia, Nuova Zelanda)Sistema di condensazione a liquidoImpatti ambientali elevati (CO2, H2S, inquinamento termico)

LLIQUIIQUIDDO A TO A TEEMPERATURA MPERATURA OOLTRELTRE 160160O O CCFlash : Sistema di condensazione a liquido Possibilità di combinazione flash - binario

PROBLEMI APERTIElevati costi di istallazione (2000-4000 €/kW)

- Esplorazione e perf. 20-25%- Infrastrutture 10%- Superfici di scambio 30-40%- Impianto 25-30%

Reiniezione a temperature relativamente elevate (cristallizazione e separazione sali)

LLIQUIDO CON TEMPERATURAIQUIDO CON TEMPERATURA 100100O O -- 160160O O

- Ciclo binario (ORC) è il più appropriato- Possibilità di utilizzazione condensatori adaria (torri evaporative a secco)- 100% rigenerazione dei pozzi- ridotte emissioni inquinanti

Tipo di impianto Potenza

installata

(%)

Dry steam 2545 28Single flash 3294 37Double flash 2293 26

Binario/Combinato 682 8Back pressure 119 1

TOTAL 8933 100

Vaporizz.-Surr

Vapore ad alta pressione

Preriscaldatore

Vapore a bassa pressione

Turbina

Pozzo direiniezione

Pozzo di prelievo

Pompa

Condensatore

Liquido a bassa T

Condensatore ad aria

Pompa di circolazione fluido ausiliario

Recipiente

Vaporizz.-Surr

Vapore ad alta pressione

Preriscaldatore

Ventilatore

Vapore a bassa pressione

Turbina

Pozzo direiniezione

Pozzo di prelievo

Pompa

Liquido a bassa T

Torre evaporativa

Pompa circolazione acqua

Pompa di circolazione fluido ausiliario

Condensatore

Water cooled binary plants Air cooled binary plants

Impianti a ciclo binario

Per risorse geotermiche ad acquadominante con temperature inferioria 160°C, la tecnologia dei cicli binario anche ORC (Organic Rankine Cycle) è quella più indicata

Tra gli impianti a ciclo binario risultano particolarmente interessanti quelli con sistema di condensazione a secco che possono essere utilizzati in qualunque contesto con ridotti impatti ambientali e rigenerazione completa del fluido.

100 MW Mokai Geothermal Power Plant, New Zealand

2000, 2005

125 MW Upper Mahiao Geo-Power Plant, the Philippines

1996

57 MW Ormesa Geothermal Complex, California

1987

14 MW Sao Miguel Geothermal Power Plant, Azores Islands

1994, 1998

40 MW Heber Geothermal Power Plant, California,

1992

30 MW Puna Geothermal Power Plant, Big Island, Hawaii

1992

1999

24 MW Zumil, Guatemala 8 MW Olkarya, Kenia

2000

30 MW Steamboat Springs, Reno, Nevada

Diffusione mondiale di impianti a ciclo binario (~ 800 MW in 2007)

Dislocazione e caratteristiche principali degli impianti con ciclo binarioImpianto Luogo Gross capacity (MWe) Tipo di impianto Sistema di controllo termico

Miravalles 5 Costa Rica (18) Combined cycle (Binary) Wet

Leyte Filippine (61) Combined cycle (Binary) Wet

Mak-Ban Filippine (15.7) Combined cycle (Binary) Wet/Dry

Sao Miguel Azzorre (Portogallo) 16 Binary Dry

Pico Vermelho Azzorre (Portogallo) 11.5 Binary Dry

Mokai Nuova Zelanda (18) Combined cycle (Binary) Dry

Rotokawa Nuova Zelanda 13.5 Binary Wet

Wairakei Nuova Zelanda (15) Combined cycle (Binary) Dry

Zunil Guatemala 28.6 Binary Dry

Olkaria III Kenya 12 Binary Dry

Puna Hawaii (USA) (30) Combined cycle (Binary) Dry

Heber (SIGC) California (USA) 40 Binary Wet

East Mesa California (USA) 89.4 Binary (five plants) Wet

Casa Diablo (Mammoth)

California (USA) 42 Binary (three plants) Dry

Steamboat Spring Nevada (USA) 34 Binary Dry

Salt Wells Nevada (USA) 14 Binary Dry

Soda Lake Nevada (USA) 12 Binary Dry

Stillwater Nevada (USA) 15.3 Binary Dry

Stillwater 2 Nevada (USA) 48 Binary Dry

Blundell Utah (USA) 11 Binary Dry

Impianti Binari o Combined con taglie fra 90 MW e 100 kW (di difficile censimento)

Year ofinstallation

Plant Turbine isentropicefficiency

1984 Steamboat, USA 72

1985 Ormesa, USA 75

1989 Puna, USA 78

1993 Heber, USA 83

1996 Rotokawa, NZ 84

2000 Olkaria, Kenya 88

Wet422900R124Hirn145Kutahya-Simav, Turkey

Wet/Dry57.9400R134aRankine74Chena Hot Spring, Alaska

Wet34.31750IsopentaneRankine104Wabuska, CA, USA

Dry861000C5F12Rankine106Altheim, Austria

Dry691000IsopentaneRankine110Nagqu, China

Wet531700NH3-H2OKalina124Husavik, Iceland

Wet/Dry14.71000IsobutaneRankine130Otake, Japan

Wet501000R114Rankine140Nigorikawa, Japan

Cooling towerConsumospecifico

[(kg/s)/MW]

Potenzalorda(kWe)

FluidooperativoCicloTgeo(ºC)Locazione impianto

Piccoli impianti a ciclo binario con caratteristiche particolari

Uno dei dati più interessanti è l’incremento della efficienza isoentropica delle turbine

- La progettazione di un impianto a ciclo binario è difficilmente standardizzabileLe risorse hanno caratteristiche molto variabili (Temperatura e pressione del serbatoio, composizione chimica del fluido geotermico)

Variabili progettuali rilevanti di un impianto a ciclo binarioLe variabili progettuali di un impianto a ciclo binario sono molteplici: esse comprendono

- temperatura di sorgente- le temperature di rienizione (legata alla composizione di sali disciolti) - temperatura di condensazione (legata alla temperatura ambiente)- fluido operativo (criogenico, refrigerante di sintesi o miscela di refrigeranti),- ciclo di recupero (Rankine, Hirn, 2 livelli di pressione, ecc.) - progetto degli scambiatori rigenerativi, - sistema di condensazione (nel caso dei sistemi di condensazione ad aria

tipo di ventilazione e tipologie di superfici di scambio),

Progettazione ottimizzata di un impianto a ciclo binario?

Elevato costo d’impianto 2000-4000 €/kW per:

•elevate superfici di scambio

•scarsa produttività del fluido geotermico

• Ottimizzazione ciclo termodinamico (Livello di sistema)

• Ottimizzazione apparati di scambio termico (Livello di componente)

( )( )

ln ⎛ ⎞− − ⎜ ⎟⎝ ⎠=

−

inin rein o

rein

o in o

TT T T TExQ T T

( )

( )

ln

ln

⎛ ⎞− − ⎜ ⎟⎝ ⎠=⎛ ⎞− − ⎜ ⎟⎝ ⎠

inin rein o

rein

inoin o o

o

TT T T TExTEx T T T T

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

50 60 70 80 90 100 110T re in

E x / E x o

Tin = 16 0 °C

T in = 150 °CT in = 14 0 °C

T in = 13 0 °C

T in = 12 0 °CT in = 110 °C

0

0 ,0 5

0 ,1

0 ,15

0 ,2

0 ,2 5

0 ,3

50 6 0 70 8 0 9 0 10 0 110T re in

E x/ Q oTin = 16 0 °CT in = 150 °CT in = 14 0 °CT in = 13 0 °C

T in = 12 0 °CT in = 110 °C

Variabili del problema di ottimizzazione

Temperatura della sorgente (source temperature) = Tin

Temperatura di reiniezione (reinjection or rejection temperature) = Trein

Temperatura ambiente di riferimento (reference temperature) = T0

Cicli a recupero (recovery cycle)Rankine Hirn (Rankine surr) Kalina

Rankine Recuperated Hirn Recuperated Supercritical

Fluidi operativi (working fluid)Devono essere fluido basso bollenti (con Tcr < Tin)

In linea di principio moltissime possibilità: - Idrocarburi (isopentano, isobutano, ecc.)- Refrigeranti (FC, HFC)- Miscele di refrigeranti

Combinazione fluido operativo-ciclo di recupero

1

10

100

0 100 200 300 400 500 600 70h [ kJ/ kg ]

p [ bar]

R134a

R152a

iso-But ane

Propane

FC318

iso-Pent ane

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0,5 1 1,5 2s [ kJ/ ( kgK) ]

T [ °C ]

R134a

R152a

iso-But ane

Propane

FC318

iso-Pent ane

netII

geo in 0 0 in 0 geo

Wm [(h h ) T (s s )]

η =− − ⋅ −

Efficienza di primo principio(First Law efficiency)

Efficienza di secondo principio(Second Law efficiency)

Produttività dell’impianto geotermico(Specific consumption of geothermal brine) geo

net

M kgMJW

β ⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦

netI

geo in rej

Wm (h h )

η =−

Parametri di merito per analisi di impianti a ciclo binario

I primi due sono quelli più noti, ma hanno una connotazione puramente termodinamica; il terzo parametro può invece assumere anche una connotazione

economica

Strategia per la progettazione ottimizzata

Sorgenti analizzate: Campi ad acqua dominante con temperatura fra 160 e 100 °C, reiniezione nell’acquifero a 90, 80 e 70 °C.

Condizioni Operative: Condensazione a 30, 20 e 10 °C

Consumo specifico di fluido geotermico in alcuni casi significativiTemperatura di sorgente (100-160°C) Temperatura di condensazione (30-40 °C)

Temperatura di scarico (70-100°C) Fluidi operativi (sono stati testati 36 fluidi operativi)

0

20

40

60

80

100

120

140

160-100-40 160-70-40 130-70-40 160-70-30 150-80-40 110-80-40 130-100-40

R134a R152a

n-Butane n-Pentane

R401A R407C

β [kg/MJ]

0102030405060708090

130-100-30 130-100-40 160-70-40 160-70-30

R134a R152an-Butane n-PentaneR401A R407C

Analisi exergetica

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Irein

IcondISTIRHEWfansWpumpWnet

160-70-40 130-70-40160-100-40160-70-30

Ex [%]

Case 1: Tgeo=

160°C T rej = 70°C

Working fluid Rankine Rankine with superheater Optimized solution β ηI ηII β ηI ηII β ηI ηII

(kg/MJ) (%) (%) (kg/MJ) (%) (%) (kg/MJ) (%) (%) R134a1 31.1 8.42 31.98 26.79 9.74 37.11 23.61 11.09 42.11

R152a1 28.2 9.28 35.7 23.39 11.20 42.50 23.29 11.24 42.69

Isobutane2 27.7 9.45 35.9 29.8 8.79 33.30 24.03 10.91 41.43

n-Pentane2 29.73 8.80 33.45 31.2 8.39 31.87 24.66 10.71 40.65

R401A1 30.31 8.64 32.82 25.74 10.17 38.63 24.47 10.70 40.63

R407C1 38.7 6.76 25.7 33.97 7.70 29.27 26.31 10.02 38.05 1 Optimized solution: Supercritical cycle 2 Optimized solution: Dual pressure level Rankine cycle

Il sistema di condensazione ad aria

Fattori di criticitFattori di criticitàà

Scarsi coefficienti di scambioScarsi coefficienti di scambio

Ventilazione energeticamente onerosaVentilazione energeticamente onerosa

Variazione della temperatura ambienteVariazione della temperatura ambiente

0

100

200

300

400

500

600

700

30 25 20 15 10 5

Differenza tra T di condensazione e T esterna

Pote

nza

[kW

] W lorda

W pompaggio

W ventilazione

W netta

Dimensionamento del sistema di condensazione

• La combinazione temperatura di sorgente (Tin) -temperatura di rieniezione (Trein) -temperatura di condensazione (Tcon) resta l’elemento più importante: consumi specifici variabili fino a 5 volte

• Cicli di recupero semplici (spesso non vale la pena il ricorso asoluzione più complicate come quella supercritica)

• Fluido operativo: variabile importante, ma meno di altre. Per ogni fluido si trova un ciclo adatto.

• Lo scambio termico è fondamentale per la progettazione di un impianto a ciclo binario: il sistema di condensazione ha un notevole impatto anche sulla prestazione termodinamica

• Difficoltà di standardizzazione tecnologica per variabilità:

Analisi dei risultati

TemperaturaTemperatura

Condizioni climaticheCondizioni climatiche

Composizione chimicaComposizione chimica

Una soluzione da approfondire bene: il ciclo rigenerativo

Binario tradizionale Binario rigenerativo (recuperated)

Con inserimento del rigeneratore si potranno aumentare i rendimenti termodinamici di primo e secondo principio e rendere meno sensibile il

sistema alle condizioni al contorno (temperatura della sorgente ed esterna variabili nel tempo).

POSSIBILE STANDARDIZZAZIONE DI SISTEMI DI PICCOLA TAGLIA

Analisi di sensibilità: temperatura di sorgente e di reiniezione(analisi di un sistema con potenza netta 500 kW)

Sorgente 150 – 70 °C, temp. di condens. 30 °C Sorgente 120 – 70 °C, temp. di condens. 30 °C

Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen0

10

20

30

40

50

60

70

0

10

20

30

40

50

60

70

Por

tata

di f

uido

geo

term

ico

(

0

10

20

30

40

50

60Sorgente 120 – 90 °C, temp. di condens. 30 °C

Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen

0

10

20

30

40

50

60Sorgente 110 – 80 °C, temp. di condens. 30 °C

Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen

Analisi di sensibilità: temperatura di condensazione

Sorgente 150 – 70 °C, Temp. di condens. 20 °C Sorgente 100 – 70 °C, Temp. di condens. 20 °C

Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen

Sorgente 100 – 70 °C, Temp. di condens. 10 °C

Rankine Rank Rigen Hirn Hirn Rigen05

101520253035404550

05

101520253035404550

05

101520253035404550

Il ciclo rigenerativo risulta piuttosto interessante soprattutto con fluido

R245fa (HFC)

-Possibilità di standardizzare il sistema- Possibilità di ridurre le dimensioni del

sistema di condensazione

Conclusioni

Gli impianti a ciclo binario con raffreddamento ad aria sono una tecnologia moltointeressante e sostenibile per l’utilizzazione di risorse geotermiche ad acqua dominantese possono essere raggiunti livelli accettabili di produttività ed efficienza.

La generazione elettrica sembra essere quasi sempre conveniente se T > 150 °C.Non sembra quasi mai conveniente se la temperatura della sorgente è < 130 °C e se la temperatura di reinizione è >100 °C. I consumi degli ausiliari sono troppo elevati.

Le forti differenze, in termini di temperatura, pressione e composizione chimica del fluido geotermico, rendono gli impianti a ciclo binario poco adatti a “standardizzazioni”

Gli aspetti impiantistici non sono i soli a dover essere considerati. Attenzione anche alla caratterizzazione della risorsa ed alle capacità di rigenerazione del pozzo. L’ottimizzazione è però un elemento chiave per il successo di questi impianti visto che si possono apprezzare miglioramenti anche del 30-40% rispetto a soluzioni convenzionali.

Per ogni combinazione temperatura di sorgente-temperatura di reinizione vi è unacombinazione ottimale fluido-ciclo che permette di ottenere risultati simili. Non sembraquasi mai conveniente l’uso miscele di refrigeranti (cicli Kalina) e raramente quello di configurazioni di recupero di tipo ipercritico. Molto interessante sembra essere il ricorso a configurazioni di tipo rigenerativo.