IMPIANTI GEOTERMOELETTRICI A CICLO BINARIO: STATO DELL’ARTE

Dipartimento di Ingegneria dell’Energia e dei SistemiUniversità di Pisa

Largo Lucio Lazzarino – 56126 PISA

Alessandro Franco

Corso di Laurea in

INGEGNERIA ENERGETICA

alessandro.franco@ing.unipi.it

Impianti geotermoelettrici CAMPI A VAPORECAMPI A VAPORE� Impianti piuttosto semplici dal punto di vista conc ettuale� Nel mondo solo 6: es. Geysers (CA), Larderello � Sistema di condensazione a liquido� Impatti ambientali elevati (CO2, H2S, inquinamento termico)� Consumo specifico fluido geotermico: 2-4 kg/s per o gni MW prodotto

LIQUIDO A TEMPERATURA > 160 LIQUIDO A TEMPERATURA > 160 OOCC�Flash technology �Sistema di condensazione a liquido �Possibie combinazione con binario�Consumo specifico fluido geotermico: 10-20 kg/s per ogni MW prodotto

LIQUIDO A TEMPERATURA 100LIQUIDO A TEMPERATURA 100 – – 160 160 OOC

- Ciclo binario (ORC) è il più appropriato- Possibilità di utilizzazione condensatori ad ari a (torri evaporative a secco)- 100% rigenerazione dei pozzi- ridotte emissioni inquinanti- Consumo specifico fluido geotermico: 20-100 kg/s per ogni MW prodotto

Impianti a ciclo binario (ORC)

Utilizzazione di campi geotermici ad acqua dominante a temperature relativamente basse (< 150 °C ), accessibili a quote inferiori ai 1000 m con attività perforative di minore entità;

La ricerca riguarda i due aspetti: esplorazione e caratterizzazione della risorsa, ottimizzazione impiantistica

- Messa a punto di nuove tecniche di indagine geologica e di modellazione del comportamento del serbatoio ;

- Sviluppo di impianti di taglie medio-piccola (0.1 - 1 MW) che possano essere prodotti a livello industriale (“mass produced”) ed in grado di adattarsi in maniera abbastanza buona a varie condizioni.

Temperature inferiori a 150 °C disponibili anche ai limiti di acquiferi già largamente utilizzati

Impianti a ciclo binario

La tecnologia dei cicli binari è sicuramente quella più recentemente applicata nell’ambito della geotermia (anche se i primi impianti sperimentali sono del 1966-1968 in Russia

Il ciclo binario rappresenta il primo tentativo di approccio industriale (mass production) al problema della geotermia di potenza, soprattutto grazie ad alcuni aziende che si sono specializzate nel settore (es. ORMAT).

La tecnologia Flash era stata sostenuta principalmente da due multinazionali giapponesi (Fuji Electric e Mitsubishi ).

Si comincia ad applicare una idea di modularità dei sistemi (sia scambiatori rigenerativi, sia sistemi di condensazione). Le differenti taglie impiantistiche possono essere ottenute “sommando” sistemi di taglia medio piccola dell’ordine di 0.5-5 MW (più o meno è il concetto sulla base del quale si è molto sviluppato l’eolico)

Schema base di un impianto a ciclo binario

Sezione di Sezione di

scambio scambio

termicotermico

Gruppo turbina Gruppo turbina

generatoregeneratore

Pozzo di Pozzo di

produzioneproduzione

Condensatore Condensatore

e torre e torre

evaporativaevaporativa

Pozzo di Pozzo di

reiniezionereiniezione

Pompa di Pompa di

circolazionecircolazione

Livello superficiale

Impianto a ciclo binario

(progetto e ottimizzazione)

Livello del sottosuolo

Risorsa geotermica

(ricarica naturale, modello di

circolazione)

Esplorazione geotemica

(geochimica, geofisica)

Strategia di reiniezione

Approccio integrato (suolo-sottosuolo) al proge tto di impianti a ciclo binario

Nel caso del ciclo binario non è importante solo la parte

impiantistica, ma anche la caratterizzazione della risorsa

La deposizione di Sali (scaling) che causa malfunzionamento dello scambiatore

T (

°C)

Geofluid temperature profile

Working fluid profile

h (J/kg)

PP2PP1

Tgeo

Trej

3 2

1

Problemi associabili ad una cattiva caratterizzazio ne della risorsa

Cattivo funzionamento dello scambiatore in

seguito alla riduzione della temperatura della risorsa

Impianti a ciclo binario: oltre 230 per oltre 1150 MW

La tecnologia dei cicli binari è legata ad alcuni grandi produttori

Gradi di libertà• Il progetto di un impianto a ciclo binario coinvolge all’incirca 25-30 variabili• L’impianto deve essere adattato alle specifiche condizioni operative (Mgeo, Tgeo- Trein-Tamb)• Funzionamento è molto sensibile alle variazioni delle condizioni operative durante la vita utile

Principali aziende produttriciOrmatUTC PowerBarber-Nichols (ORC) Mafi-Trench (ORC) Turboden (ORC) Enex (ORC) GE Siemens (Kalina) Exorka (Kalina) Gulf CoastDeluge Inc. Linear Power Ltd.

Binari Combinati Flash + Binario

Stati Uniti 140 10

Nuova Zelanda 10 14

Filippine 13 5

Islanda 8

Portogallo 5

Austria 3

Germania 3

Nicaragua 1 7

Oltre 80% impianti sono semplici, meno del 20% combinati

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

Dislocazione e caratteristiche principali degli impian ti 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 10 e 90 MW

Molte soluzioni proposte potrebbero adattarsi alle varie condizioni

Impianto

Olkaria 3 – Kenya, 12 MW (250 °C) Chena, Alaska – USA, 200 kW (74 °C)

Leader del settore, realizza tutti gli impianti Solo piccole taglie

Impianto

Altheim – Austria, 500 kW (105 °C)

Rispetto a altre tecnologie il ciclo binario risente della

grande varietà delle condizioni a contorno per cui ogni

applicazione va studiata come un caso a se stante con evidenti

penalizzazioni sui costi

1500–3000 Euro/KW installato

Plant and location Tgeo

(ºC)

Cycle Working

fluid

Gross

capacity

(kWe)

Specific brine

consumption

[(kg/s)/MW]

Cooling

tower

Husavik, Iceland 124 Kalina NH3-H2O 2030 (1700) 53 Wet

Unternhaching, GER 122 Kalina NH3-H2O 4000.(3400) 44.2 Wet

Bruchsal, GER 120 Kalina NH3-H2O 610 (550) 51,8 Wer

Empire, USA 118 RAN Isopentane 1200 (1000) 90.8 Dry

Fang, Thailand 116 RAN Isopentane 300 (175) 47.4 Wet

Nagqu, China 110 RAN Isopentane 1300 (1000) 69 Dry

Bad Blumau, Austria 110 RAN Isopentane 250 (180) 120 Dry

Wineagle (Susanville), USA 110 RAN Isobutane 750 (600) 105 Dry

Altheim, Austria 106 RAN C5F12 1000 (500) 86 Dry

Wabuska, USA 104 RAN Isopentane 750 (600) 90 Wet

Wendel, USA 103 RAN R114 2000 (1600) 128.2 Wet

Birdsville, Australia 98-99 RAN R114

(Isopentane) 150 (120) 200 Wet

Neustadt-Glewe, GER 98-100 RAN C5F

12 230 (180) 120.8 Wet

Chena Hot Spring, USA 74 RAN R134a 250 (210) 57.9 Wet/Dry

Esiste già oggi un numero rilevante di impianti a ciclo binario che utilizzano

risorse a temperature inferiori a 130 °C

Impianti che utilizzano risorse con T < 130 °C

Cicli a recupero

Rankine Hirn (Rankine surr) Kalina

Due livelli di pressione Doppio Rankine Supercritici

Fluidi operativi

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

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-Butane

Propane

FC318

iso-Pentane

Miglioramenti del componente turbina

Negli anni rendimento (isoentropico) di turbina è passato da 72% a 88%.Importante aumentare il rendimento di generazione: i rendimenti si moltiplicano.

Anno di installazione

Impianto Rendimento di turbina

1984 Steamboat, USA 72

1985 Ormesa, USA 75

1989 Puna, USA 78

1993 Heber, USA 83

1996 Rotokawa, NZ 84

2000 Olkaria, Kenya 88

Euler Turbine Variable Phase Turbine

netII

geo geo 0 0 geo 0

W

m [(h h ) T (s s )]η =

− − ⋅ −&

Efficienza di primo principio

Efficienza di secondo principio

Produttività dell’impianto geotermico(Consumo specifico di fluido)

geo

net

M kgMJW

β =

&

netI

geo in rej

W

m (h h )η =

−

Parametri di merito tradizionalmente presi a riferimento p er analisi di impianti a ciclo binario

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

5-12%

25-45%

20-150 kg/s

Consumo specifico di fluido geotermico in alcun i casi significativi

Temperatura di sorgente (100-160°C) Temperatura di condensazione (30-40 °C)

Temperatura di scarico (70-100°C) Fluidi operativi (confronto tra 6 diversi fluidi)

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 R152a

n-Butane n-Pentane

R401A R407C

0

100

200

300

400

500

600

700

30 25 20 15 10 5

Differenza tra T di condensazione e T esterna

Pot

enza

[kW

] W lorda

W pompaggio

W ventilazione

W netta

Dimensionamento del sistema di condensazione

Fattori di criticitàFattori di criticità

� Scarsi coefficienti di scambioScarsi coefficienti di scambio

� Ventilazione energeticamente onerosaVentilazione energeticamente onerosa

� Variazione della temperatura ambienteVariazione della temperatura ambiente

� Potenza sottratta fino al 30% della potenza lordaPotenza sottratta fino al 30% della potenza lorda

Costi degli impianti a ciclo binario

I costi aumentano in maniera significativa con riduzione della temperatura di sorgente: maggior incidenza del lavoro geologico ed effetti di scala

STANDARDIZZAZIONE

PROBLEMI APERTICosti di istallazione elevati (2000-4000 €/kW)

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

Problemi connessi con la reiniezione a temperature relativamente elevate (cristallizazione e separazione dei Sali)

Il ciclo binario rigenerativo

Binario tradizionale Binario rigenerativo

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 T AGLIA

R134a

RAN RANSH

R245fa

RAN RANSH

R600a

RAN RANSH

n-pentane

RAN RANSH

130-70-30 8.8% 7.0% 10.6% 4.7% 19.0% 9.2% 13.5%

120-70-30 9.3% 7.2% 10.6% 4.7% 9.4% 6.5% 19.3%

110-70-30 9.8% 6.2% 13.8% 4.7% 14.0% 9.2% 15.6%

100-70-30 4.7% 6.7% 10.5% 3.6% 10.4% 5.0% 11.6%

Effetto utile: riduzione della superficie e dei consu mi al condensatore

Utilizzazione del principio del tubo di calore

- Single Borehole Geothermal Extraction System - Heat Pipe Turbine- Termosyphon Rankine Engine

Heat Pipe Turbine

Conclusioni

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

La generazione elettrica sembra essere quasi sempre conveniente se T > 150 °C.E’ da valutare 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 una combinazione ottimale fluido-ciclo che permette di ottenere risultati simili. Non sembra quasi mai conveniente l’uso miscele (Kalina) e raramente quello di configurazioni di tipo ipercritico. Molto interessante può essere il ricorso a configurazioni di tipo rigenerativo.