Le potenzialità dei motori a fluido organico nel solare termodinamico
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Le potenzialità dei motori a fluido organico nel solare termodinamico
Colombo Mattia, D’Antonio Antonio, D’Elia Matteo, F attoracciMatteo, Federici Davide, Francese Carolina, Giannott a Fabio
Gli ORC: un po’ di storia
• William John Macquorn Rankine nel 1859 pubblica “The Manual of Steam Engine” ponendo le basi dei moderni cicli a vapore.
• Frank Ofeldt nel 1883 sviluppò il primo motore a vapore alimentato a nafta. All'epoca il governo Americano richiedeva una licenza per bollire l'acqua nei motori a vapore, cosa che invece non era necessaria per bollire la benzina. Per la prima volta quindi un "gentiluomo" poteva condurre la sua barca a vapore senza l'assistenza di un ingegnere.
• Gli ORC hanno avuto una seconda giovinezza nella seconda metà del ‘900 anche grazie alla Scuola italiana dell'ORC (anni ‘70) nata presso il Politecnico di Milano.
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Gli ORC: l’alternativa ai cicli a vapore d’acqua
Ora che non abbiamo bisogno di un ingegnere per condurre i nostri veicoli, perché sono interessanti?
•Utilizzo di fonti di calore a bassa temperatura•Piccole potenze •Macchine compatte•Ottimo comportamento ai carichi parziali•Assenza di fase liquida all’uscita della turbina•Procedura di avviamento semplificata•Ridotta attività di manutenzione •Lunga vita utile degli impianti
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I motori a fluido organico: una soluzione estremamente versatile
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Tipologie di fluidi
I fluidi possono essere catalogati in 3 famiglie in base all’andamento della loro curva di saturazione:• Fluidi isoentropici (pendenza verticale)• Fluidi drying (pendenza positiva)• Fluidi wetting (pendenza negativa)
DRYING:R236, R245fa, R601, R600,
WETTING:Ammoniaca, Acqua
ISOENTROPICI:R11, R12
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
s [kJ/kg-K]
T [°
C] 10000 kPa
1500 kPa
230 kPa
40 kPa
Ammonia
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00-50
-0
50
100
150
200
250
300
s [kJ/kg-K]
T [°
C]
3900 kPa
1000 kPa
25 kPa
5,9 kPa
R11
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5-100
-50
0
50
100
150
200
250
s [kJ/kg-K]
T [°
C]
3400 kPa
650 kPa
4,49 kPa
R600
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H2O Vs. Organic Fluids:un primo confronto
Trova le differenze !
•Temperature e pressione critica•Andamento delle di curve di saturazione
•Tratto di transizione di fase
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Cosa non ci ha detto il T - s
• Alta massa molecolare ρ elevato • Buone proprietà termofluidodinamiche Cp molare elevato per
la complessità della molecola• Problemi di stabilità termica• Costi
422 FHC2CHClF
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Cosa si ricerca in un fluido organico per un motore ORC
• Alta massa molecolare• Bassa temperatura e pressione
critica• Curva di saturazione retrograda• Mancanza di erosione delle pale
delle turbine• Scambio termico ottimizzato• Stabilità• Atossicità• Non infiammabilità• Bassa espansione volumetrica• Bassa portata volumetrica
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Scelta del fluido di lavoro
La scelta del fluido di lavoro è condizionata da parametri di ottimo che difficilmente coesistono in un fluido.
Una possibile soluzione è l’utilizzo di miscele zeotropiche:
PRO: - proprietà termofisiche- ∆Tglide
CONTRO: - difficile controllo della dosatura
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Cosa ancora non vi abbiamo detto
•Basso salto entalpico utilizzabile•Maggior portata massica a parità di potenza•Necessità di un rigeneratore interno•Limitazione dello stress meccanico e accoppiamento diretto al generatore elettrico grazie ai bassi regimi di rotazione•Altissima affidabilità > 98%
0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,4050
100
150
200
250
300
350
400
s [kJ/kg-K]
h [k
J/kg
]
3900 kPa
1000 kPa
25 kPa
5,9 kPa
R11
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
s [kJ/kg-K]
h [k
J/kg
]
3400 kPa
650 kPa
4,49 kPa
R600
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
2250
s [kJ/kg-K]h
[kJ/
kg]
10000 kPa
1500 kPa
230 kPa 40 kPa
Ammonia
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Schema d’impianto tipo per un ORC
•Un unico corpo di turbina •Pochi stadi di espansione•Preriscaldatore rigenerativo (IHE)•Loop esterno con fluido termovettore e serbatoio di stoccaggio di potenza termica•Generatore solidale alla turbina•NO spillamenti rigenerativi•NO degasatore
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La scelta dell’espansore
• Criterio di scelta:• Portata di fluido evolvente• Salto entalpico• Variazione di portata volumetrica
• Si può scegliere tra:• Espansori volumetrici - Scroll (piccolissime potenze)
- Screw (piccole potenze)• Espansori a flusso continuo - Radiali
- Assiali
Espansore a vite(screw)
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Dimensionamento di una turbina assiale per ORC
In generale:•VR bassi implicano alti rendimenti•SP alti implicano alti rendimenti
•VR è da scegliersi come parametro nell’analisi di similitudine • Celerità del suono bassa•Alta densità nel primo stadio•Alti VR→più stadi per limitare FL angle (Kis)
(Ns)opt=0.12
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Perché i motori a fluido organico e il solare termodinamico
• Sfruttamento della fonte solare anche a bassa temperatura• Possibilità di impianti ibridi con altre fonti a bassa temperatura• Generazione distribuita• Prontezza• Flessibilità
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Tecnologie per la conversione intermedia dell’energia radiante in termica
Il concentratore riflette e convoglia la radiazione solare per ottenere un incremento del numero di “soli”:
Lungo una linea focale (1 g.d.l) In un unico punto focale (2 g.d.l)
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Possibile layout SORC (Solar ORC)
► Campo specchi
► Sistema di accumulo
► Piping di collegamento
► Eventuale sorgente alternativa di potenza termica
► Blocco di potenza
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Compound Parabolic Concentrator (CPC)
Concentrano la radiazione solare incidente in un ampio range di angoli di incidenza da 0 all’angolo di accettazione (acceptance angle)Un elevato numero di soli (alto rendimento) richiede altezze delle parabole molto elevate. L’ampiezza degli specchi è il parametro più incidente sul costo.Ne consegue un trade-off economico.
Soffietto metallico
Vetro con trattamento antiriflesso
Intercapedine d’aria con alto grado di vuoto
Coating selettivo (Ni, Cr)
Getter
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L’olio diatermico come fluido termovettore
Vantaggi
• Basse temperature di freezing (~ 12÷20 °C)• Elevata stabilità termica nel range di temperature operative• Bassa viscosità (miglior scambio termico, minor problemi di start-up e
pompaggio)• Non corrosivi
Svantaggi
• Limitata temperatura massima (~400°C→oltre ho problemi di decomposizione termica)
• Infiammabili• Tossici• Utilizzo in pressione (~25÷35 bar) per evitarne
l’evaporazione alle temperature operative• Elevato costo (~ 3-5 €/kg)
Olio diatermico
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• Impianti esistenti:
1. Holaniku, Kona (Hawaii) Keahole Solar Power, Sopogy2. Saguaro, AZ, Solargenix
• Impianti futuribili:
1. Impianto ibrido solare termodinamico – biomassa2. ORC cogenerativo di piccolissima taglia 3. CPV/T accoppiato ad ORC
Casi di studio 19
Impianti Esistenti
HOLANIKU, Kona (Hawaii) Keahole Solar Power, Sopogy
Caratteristiche Impianto:
• Tipo di impianto: Solare termodinamico con accumulo termico
• Location: Honolulu, Hawaii • Inizio costruzione: 2012 • Superficie totale dei collettori: circa 75.000
m2• Fluido termovettore: Olio diatermico a 270 °C
nominale• Sistema di raffreddamento: Torre evaporativa• Serbatoio termico: Serbatoio con olio
diatemico• Potenza lorda: 6 MW• Rendimento elettrico lordo: 20.5%
Saguaro, AZ- Solargenix
Caratteristiche Impianto:
• Location: Saguaro, AZ• DNI: 2636 KW/m2• Potenza nominale: 1,0 MWe• Potenza Turbina ORC: 1,16 Mwe• Fluido termovettore: Xceltherm 600• T in solar field: 120°C• T out solar field: 300 °C• Fluido di lavoro ORC: n-pentano• T in ORC: 204°C• P in ORC: 22,3 bar• Rendimento dell’ ORC: 20,7%• Superficie collettori: base 10340 m2
(ampliato 17233 m2)• Capacità serbatoio nel caso ampliato: 6h• Capacity factor: base 23% (ampliato 40%)• Rendimento s-el di progetto: base 12,1%
(ampliato 12,1%)• Rendimento s-el annuo: base 7,5%
(ampliato 7,9%)
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• Collettori Solari: parabolic trough LS-2 • Power Block: ORC turbogeneratori Turboden 12 HRS (Nominal Power: 1 MWel) • Fluido Termovettore: olio diatermico• Accumulo Termico: Accumulo con olio diatermico• Sistema di combustione a biomassa: Boiler con olio diatermico• Location: Sicilia (DNI:1872kWh/m2y)
Parametri di progetto:
• Superficie collettori: 11.232 m2 • Numero di collettori solari: 288 units - String Length: ~140 m • Capacità del sistama di accumulo: 17 MWhth (3.6 hrs) • Potenza del boiler a biomassa: 1.7 MWth (biomass input*= 820 kg/h)
Impianto ibrido solare termodinamico – biomassa 21
Gestione delle risorse energetiche nell’arco di una settimana 22
Analisi economica dell’investimento 23
Caso di studio: prototipo ORC cogenerativo di piccolissima taglia per uso civile
Schema d’impianto Pannello solare modulare da “tetto”
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Bilancio energetico
Bilancio di primo principio
Superficie specchi = 5,75 m^2
Fluidi alternernativi: HFC o R600a
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Considerazioni caso di studio
SORC vs PV • ηSORC < ηPV(7,9%) medio annuo • SORC produce anche potenza termica• SORC funziona anche di notte
Sono possibili dei miglioramenti per renderecompetitiva la tecnologia:
• CPC 3D con innalzamento della temperatura di serbatoio fino a 180°C
• Espansore a vite o ottimizzato con η fino al 80%• Aumentare la Temperatura acqua all’utenza• Cuscinetti a levitazione magnetica
Problema: costo?
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Caso di studio:CPV/T accoppiato a un ORC
L’impianto preso in considerazioneprevede un sistema CPV (“concentratingphotovoltaic”), implementato da un cicloORC (R-245fa).
Ulteriore incremento di potenza prodotta grazie a :
• un unità di controllo, che spegne l’ORC quandola radiazione solare è scarsa
• un sistema di inseguimento solare
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Analisi delle prestazioni
.
28
Analisi economica
• Vita utile del ciclo: 20 anni
• Costo energia CPV–ORC: 0.113 €/kWh
• Costo energia CPVcooled: 0.147 €/kWh
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Considerazioni caso di studio
• L’efficienza del pannello fotovoltaico passa da 9.81% a 11.83% in media.
• Parametri che potrebbero essere analizzati per ottimizzare il sistema sono la temperatura di condensazione dell’R245fa, il processo di scambio di caloredell’assorbimento, la selezione di celle più efficienti.
• Il sistema ORC è responsabile del massimo aumento di energia elettricaprodotta (6339.4 kWh invece di 3735.8 kWh). L’efficienza media sale a 10.52%, per il ciclo integrato. Anche a temperature minime l’efficienza annuale era 6.56% per il ciclo semplice.
• Il preriscaldatore e l’evaporatore sono incorporati nel CPV/T originale. I componenti aggiuntivi da ricercare sono solo l’espansore, la pompa e il condensatore.
• La potenza meccanica prodotta può essere usata in altre applicazioni, oltre che la produzione di potenza, come la desalinizzazione dell’acqua di mare.
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Conclusione
• Attualmente questa tecnologia è competitiva solo grazie a forti incentivi economici.
• I motori a fluido organico alimentati con fonte solare potrebbero ricoprire un importante ruolo nell’ottica di una produzione distribuita e differenziata dell’energia.
• La ricerca sugli ORC potrebbe portare a soluzioni innovative e performanti.
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Bibliografia
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7. X.D. Wang, L. Zhao, “Analysis of zeotropic mixtures used in low-temperature solar Rankine cycles for power generation”
8. Bahaa Saleh1, Gerald Koglbauer, Martin Wendland, Johann Fischer, “Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles”
9. Huijuan Chen, D. Yogi Goswami *, Elias K. Stefanakos, " A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat "
10. D. Angelino, M. Gaia, E. Macchi, " ORC –HP- Technology ; working fluid problems "
11. Florian Heberle*, Dieter Brüggemann, ”Exergy based fluid selection for a geothermal Organic RankineCycle for combined heat and power generation ”
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