verticale

I motori a fluido organico: un buon esempio di collaborazione tra università e industria

Dovendo scegliere un tema per il mio intervento, ho preferito puntare sui motori a fluido organico, sia perché è un tema cui ho dedicato tanti anni di ricerca, sia perché ben si presta a richiamare alcuni aspetti del messaggio che Umberto ha trasmesso a me (e a tanti colleghi). Un messaggio sui doveri di un bravo professore universitario del nostro settore scientifico disciplinare, che si può sintetizzare nei seguenti punti:
- Le nostre ricerche devono privilegiare temi che interessino il mondo produttivo delle imprese, attivando con esse forme di collaborazione che portino a risultati concreti, in particolari allo sviluppo di componenti e sistemi innovativi che favoriscano il progresso tecnologico
- La nostra ricerca deve raggiungere livelli di eccellenza internazionale: per ottenere questo risultato serve operare in un gruppo coeso, che vanti una preparazione a largo spettro, che copra tutte le discipline alla base delle macchine e dei sistemi energetici (termodinamica, fluidodinamica, scambio termico, turbomacchine, ecc.)

Scarica il PDF Scarica il PDF
Aggiungi ai preferiti Aggiungi ai preferiti


Articoli tecnico scientifici o articoli contenenti case history
La Termotecnica, settembre 2017

Pubblicato
da Alessia De Giosa




Settori: 

Parole chiave: 


Estratto del testo
Panorama Grandi Maestri 22 LA TERMOTECNICA SETTEMBRE 2017 Dovendo scegliere un tema per il mio intervento, ho preferito puntare
sui motori a fluido organico, sia perch un tema cui ho dedicato tanti
anni di ricerca, sia perch ben si presta a richiamare alcuni aspetti
del messaggio che Umberto ha trasmesso a me (e a tanti colleghi). Un
messaggio sui doveri di un bravo professore universitario del nostro
settore scientifico disciplinare, che si pu sintetizzare nei seguenti punti: -Le nostre ricerche devono privilegiare temi che interessino il mondo produttivo delle imprese, attivando con esse forme di collaborazione
che portino a risultati concreti, in particolari allo sviluppo di com-
ponenti e sistemi innovativi che favoriscano il progresso tecnologico -La nostra ricerca deve raggiungere livelli di eccellenza internazionale: per ottenere questo risultato serve operare in un gruppo coeso, che
vanti una preparazione a largo spettro, che copra tutte le discipline
alla base delle macchine e dei sistemi energetici (termodinamica,
fluidodinamica, scambio termico, turbomacchine, ecc.) In questa lezione, dopo avere illustrato alcuni aspetti salienti dei motori
a fluido organico, ripercorrer brevemente la storia di questa tecnolo- gia, in Italia e nel mondo e fornir un quadro aggiornato della situa-
zione mondiale degli ORC, evidenziando che si tratta di una tecnologia
in piena evoluzione. Non vi spazio per trattare in profondit la vasta
tematica degli ORC in questa lezione: tratter solo pochi aspetti, invi-
tando chi fosse interessato al tema a consultare la vastissima letteratura
scientifica. In particolare, il volume 'Organic Rankine Cycle (ORC)
Power Systems ' Technologies and Applications', di cui sono editore
unitamente a Marco Astolfi. Il volume, recentemente pubblicato da
Elsevier (ISBN: 978-0-08-100510-1 - print, ISBN: 978-0-08-100511-
8 -online), raccoglie contributi dei pi noti esperti internazionali del
settore e pu essere un utile riferimento per chi desideri approfondire
la conoscenza di questa tecnologia. PERCH I MOTORI A FLUIDO ORGANICO SONO
UNA TECNOLOGIA IMBATTIBILE IN UN VASTO
CAMPO DI APPLICAZIONI'
Gli impianti motori a fluido organico sono noti nel mondo con l'acro-
nimo ORC (Organic Rankine Cycle). Di fatto, realizzano, come gli
impianti a vapore, un ciclo Rankine, da cui mutuano i fondamentali I motori a fluido organico: un buon esempio
di collaborazione tra universit e industria
FIGURA 2 - Analisi di secondo principio
di cicli a gas con Tmax= 250 C
FIGURA 1 - Rendimenti di cicli a gas
a bassa temperatura
di E. Macchi Ennio Macchi - Professore emerito Politecnico di Milano Questo articolo riassume i contenuti della 'lectio magistralis' da me tenuta in occasione della Giornata di studio in onore del prof. Umberto Ruggiero,
fondatore del Politecnico di Bari, nel giorno del suo 90compleanno. Premetto che per me stato un grande onore essere stato invitato a partecipare
a questa giornata dedicata a un esimio collega e caro amico. Umberto Ruggiero stato un grande professore, che ha dato tanto, non solo alla
comunit pugliese, ma a tutti i macchinisti italiani. ORGANIC RANKINE CYCLE: A GOOD EXAMPLE OF COLLABORATION BETWEEN UNIVERSITIES AND INDUSTRY
This paper outlines the content of the lectio magistralis given by the author during the ceremony in honor of prof. Umberto Ruggiero 90th birthday.
The subject are the Organic Rankine Cycles (ORC). The lectio explains the thermodynamic reasons which make this technology the undisputed choice
for producing electricity from low-medium heat sources. It outlines also the fundamental role of the research activity carried on at Politecnico di Milano
for the industrial success of Italian ORC manufacturers. Grandi Maestri 37 LA TERMOTECNICA 23 Panorama SETTEMBRE 2017 vantaggi termodinamici: -Operando in ciclo chiuso possono essere utilizzati con qualunque sorgente termica -Cedono calore all'ambiente (o a un utilizzatore termico, se operano come cogeneratori) con un processo che avviene (in tutto o in parte)
a temperatura costante -Comprimono il fluido di lavoro in fase liquida
-La potenza utile del ciclo una frazione molto elevata della potenza sviluppata dall'espansione. La fondamentale differenza rispetto al ciclo Rankine convenzionale
la possibilit di scegliere il fluido di lavoro che percorre il ciclo ter-
modinamico: un grado di libert molto importante, poco sfruttato nel
passato nel settore degli impianti di potenza, diversamente da quanto
si verificato nel settore degli impianti frigoriferi, che da sempre hanno
adottato fluidi di lavoro diversi al variare delle applicazioni.
Prima di affrontare il tema della scelta del fluido di lavoro e delle sue
conseguenze, vorrei chiarire perch i cicli di potenza convenzionali (a
gas o a vapor d'acqua) non possono offrire prestazioni decenti - sia in
termini termodinamici, sia in termini economici - quando operano con
sorgenti di calore a temperatura medio-bassa (diciamo, sotto i 400C)
e/o di potenza modesta (diciamo, sotto qualche decina di MW th). infatti facile illustrare i motivi per cui: -Con cicli a gas, impossibile ottenere rendimenti decenti con sorgenti a bassa temperatura -Con cicli a vapore d'acqua, impossibile avere costi ragionevoli per turbine di piccola potenza LA MODESTE PRESTAZIONI TERMODINAMICHE
DEI CICLI A GAS A BASSA TEMPERATURA
Se si calcolano le prestazioni di un ciclo a gas, sia nella versione sem-
plice, sia in quella recuperativa, il risultato che si ottengono rendimenti
molto modesti: come mostrato in fig.1, difficile ottenere rendimenti
positivi per temperature massime dell'ordine dei 250C e solo a 400C,
con recuperatori efficienti, si supera la soglia del 15%.
L'analisi termodinamica di secondo principio chiarisce bene i motivi
delle prestazioni scadenti dei cicli a gas, come di mostrato in fig. 2, che
si riferisce a cicli con T max= 250C, e quindi con rendimenti quasi nulli, in entrambe le versioni, ciclo semplice e recuperativo.
Con il ciclo semplice, diventano prevalenti le perdite di rendimento
legate agli scambi termici, che avvengono necessariamente fra trasfor-
mazioni del gas a temperatura variabile e sorgente e pozzo di calore
a temperatura costante. Le perdite nelle turbomacchine, unite alle altre
perdite (perdite di carico, meccaniche, elettriche) completano il quadro,
confinando il rendimento del ciclo a un valore prossimo a zero. Con il
ciclo recuperativo, si ottiene una sostanziale diminuzione delle perdite
di rendimento legate allo scambio termico (cui ora si aggiunge quella
del recuperatore), ma si introduce un sensibile aumento delle altre
perdite di rendimento, soprattutto nelle turbomacchine, causato dalla
diminuzione del calore introdotto. CON CICLI A VAPORE, LA SITUAZIONE MIGLIORE'
Ben altre prestazioni sono ottenibili con i cicli termodinamici a vapore.
Essi, al variare della complessit molecolare, assumono forme diverse Tmax Tamb T s water benzene MDM FIGURA 3 - Rappresentazione nel piano temperatura'
entropia specifica di cicli a vapor saturo con fluidi a
diversa complessit molecolare
FIGURA 4 - Analisi di secondo prinicipio dei cicli di fig. 3;
per il significato dei vari termini, si veda fig. 5
FIGURA 5 - Le nove perdite
di rendimento con cui si
stimatizzato il ciclo reale
Panorama Grandi Maestri 24 LA TERMOTECNICA SETTEMBRE 2017 nel piano temperatura-entropia specifica come dimostra l'esempio
in fig.3, ove sono rappresentati i cicli a vapore saturo operanti con
ugual temperatura di evaporazione (che coincide con la temperatura
massima del ciclo), pari a 240C e di condensazione, pari a 30C
per tre fluidi di diversa complessit molecolare. L'analisi di secondo
principio applicata a questi cicli produce risultati molto diversi da
quelli di fig. 2 precedentemente commentati. Come si vede in fig.
4, che riporta per ognuno dei tre fluidi considerati la distribuzione
delle perdite di rendimento legate alle diverse irreversibilit presenti
(il significato dei vari termini illustrato nella fig.5) sia per cicli limite
(in cui si ipotizzano componenti ideali, vale a dire turbomacchine
con rendimento unitario, scambiatori di calore di superficie infinita,
assenza di perdite di carico, ecc.), sia per cicli reali.
Quanto la fig. 4 dimostra che cicli a vapore saturo, operanti
con fluidi a complessit molecolare qualsivoglia e con temperature
critiche superiori a quelle della sorgente di calore, possono sempre raggiungere elevati rendimenti (nell'esempio specifico, intorno al
35%, vale a dire circa il 75% rispetto a quello di un ciclo di Carnot
operante con una sorgente di calore a temperatura costante pari a
250C e un pozzo di calore (l'ambiente) ipotizzato a 15C. per
questo motivo che spesso, per i motori ORC, la scelta del fluido non
condiziona tanto il rendimento del ciclo, quanto le prestazioni dei
componenti. CON CICLI SATURI A VAPOR D'ACQUA DI PICCOLA
TAGLIA, GRANDI PROBLEMI CON LA TURBINA
Dall'analisi precedente risulta che a livello di ciclo termodinamico, il
vapor d'acqua potrebbe essere un'ottima soluzione per cicli a vapor
saturo accoppiati a sorgenti di temperatura medio bassa: l'affer-
mazione senz'altro corretta per impianti di grandi dimensioni (si
pensi ai cicli a vapore delle centrali BWR o PWR, che effettivamente
raggiungono rendimenti pari al 75-80% del rendimento di Carnot
corrispondente alle temperature di evaporazione e condensazione),
ma non applicabile al caso di impianti di taglia medio piccola, ove
impensabile adottare macchine a molti stadi, con velocit perife-
riche elevate e meccanismi complessi di estrazione del liquido che
si forma durante l'espansione. Le figure seguenti dimostrano questa
affermazione, prendendo in esame una serie di aspetti che condi-
zionano prestazioni e costi della turbina. Le figure fanno riferimento
a una soluzione monostadio ad azione, ma le conseguenze che ne
derivano sono estendibili a ogni tipologia di macchina, quando si
delimita a un valore ragionevole il numero di stadi. In particolare, la
fig. 6 mette mettono in evidenza come, al crescere della temperatura
di evaporazione:
a. si hanno flussi fortemente supersonici, sia all'uscita della schiera statorica sia, ben pi grave per il rendimento della macchina,
all'ingresso della schiera rotorica (riferimento relativo) b. le velocit periferiche (dal cui quadrato dipende il regime di sforzi meccanici sulle pale), raggiungono valori inaccettabili c. il titolo allo scarico della macchina raggiunge valori inaccettabil- mente bassi, che comprometterebbero, oltre al rendimento, la vita
stessa delle palettature d. il rapporto fra le portate volumetriche tende a crescere a valori inaccettabili. Mentre i problemi sopra illustrati sono indipendenti dalla taglia
della macchina, altri aspetti che rendono critica l'applicazione delle
turbine a vapore per piccole taglie sono evidenziati dalla fig.7: il nu-
mero di giri molto elevato richiesto dagli elevati salti entalpici e dalle
piccole portate volumetriche (parte alta della figura) e le piccolissime
aree di passaggio richieste dal fluido all'ingresso della macchina. In
definitiva, le figure dimostrano come sia di fatto impossibile realiz-
zare una macchina di rendimenti e costi accettabili per cicli saturi a
vapore d'acqua di piccola taglia. CORRELAZIONI PER PREVEDERE IL RENDIMENTO E LA
GEOMETRIA DELLE TURBINE A FLUIDO ORGANICO
L'adozione di un fluido di lavoro diverso dall'acqua rende possibile
realizzare macchine competitive in termini di dimensioni, costo, sfor-
zi meccanici e rendimento per cicli a vapor saturo grazie soprattutto 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 100 1000 10000 100 200 250 RP M , m 2 Power, kW C C C FIGURA 6 - Aspetti negativi che si verificano
per le turbine a vapore monostadio
FIGURA 7 - Aspetti negativi che si presentano
per turbine a vapore di piccola taglia
Grandi Maestri 37 LA TERMOTECNICA 25 Panorama SETTEMBRE 2017 a tre caratteristiche: - l'elevata massa molecolare, che comporta bassi salti entalpici, e conseguentemente basse velocit periferiche che consentono di
mantenere bassi sforzi meccanici nelle palettature - la complessit molecolare, che garantisce di effettuare l'espansione senza formazione di liquido - la libert di scelta del punto critico del fluido, che consente di avere numeri di giri e dimensioni ottimali della macchina, variando, a
seconda della taglia dell'impianto, i livelli di pressione entro cui
opera il ciclo. Non sono invece in genere completamente evitabili due aspetti che
richiedono particolare attenzione nella progettazione delle turbine a
fluido organico e che rendono inapplicabili le logiche di progettazio-
ne applicate per turbine 'convenzionali' (a gas o a vapor d'acqua): - la presenza di flussi transonici (se non supersonici) - la presenza di rapporti di espansione volumetrica elevata Nelle figure seguenti (8, 9 e 10) riassunta una correlazione messa
a punto dallo scrivente, basata su una teoria della similitudine ge-
neralizzata a flussi fortemente comprimibili e sull'introduzione dei
due parametri - un parametro (dimensionale, in m) che identifica la taglia della macchina = SP (Size Parameter) - un parametro (adimensionale) che identifica il rapporto di espan- sione volumetrico Vratio) che consente, noti pochi parametri termodinamici (fluido di lavoro,
ciclo termodinamico, potenza richiesta) di individuare il rendimento
atteso, al variare del numero di stadi della macchina. La correlazione
estesa a un numero massimo di stadi pari a tre, un valore pi che sufficiente per ottenere ottimi rendimenti per le applicazioni ORC. Va
peraltro sottolineato che la tendenza recente di abbandonare fluidi di
lavoro pesanti (che possono presentare valori troppo elevati di ODP
e/o GWP) a favore dei pi leggeri ' ma infiammabili -idrocarburi
sta portando alcuni costruttori a realizzare anche macchine con un
maggior numero di stadi. I CAMPI DI APPLICAZIONE
La pratica impossibilit di realizzare soluzioni a gas o a vapor d'ac-
qua rende attraente la soluzione ORC per una vastissima gamma di
applicazioni, che caratterizzano la moderna tendenza di affiancare
alle grandi centrali termoelettriche, nucleari e idroelettriche un nume-
ro crescente di centrali di piccola taglia, basate su fonti di energia
rinnovabili o sul recupero di calore da processi industriali e impianti FIGURA 8 - Correlazione per turbine monostadio FIGURA 9 - Correlazione per turbina bistadio
e confronto con la soluzione monostadio
FIGURA 10 - Correlazione di rendimento
per turbine a tre stadi e confronto con le
soluzioni monostadio e bistadio
THERMAL STABILITY LIMIT 1 kW 10 kW 100 kW 1MW 100 200 300 400 10 MW power output He at s ou rc e te m pe ra tu re , C OTEC Ch. 17 Large WHR Ch. 18 Micro and mini ORC Ch. 16 High T. Solar Ch. 16 - Solar for rural electrification 0 Gray Zone ORC or STEAM' Ch. 17 - medium WHR Ch. 18 smal WHR Ch. 14 - High T geothermal Ch. 14 - Medium T geothermal Ch. 14 - Low T geothermal Ch. 15 Biomass FIGURA 11 - Tipiche zone di applicazione degli ORC:
solo per potenze superiori a circa 10 MW e temperature
oltre i 350C, si entra in una zona 'grigia' ove la
competizione con soluzioni a vapore aperta
Panorama Grandi Maestri 26 LA TERMOTECNICA SETTEMBRE 2017 motori. La seguente figura illustra i diversi campi di applicazione. I
riferimenti indicati in ognuno dei fazzoletti si riferiscono ai capitoli
del volume edito dall'autore citato nella premessa di questa lezione.
Ad essi si rimanda per avere un quadro aggiornato dell'evoluzione
tecnologica in atto. ALCUNI CENNI SULLA FILIERA ITALIANA ORC
Rimandando al volume citato per un pi completo excursus sulla
storia della tecnologia degli ORC, mi piace riprodurre integralmente
nel seguito quanto riportato dal sito di Turboden, che rende merito al
ruolo esercitato dal gruppo di ricerca del Politecnico di Milano per
lo sviluppo di questa tecnologia:
The Italian School
The Organic Rankine Cycle technology was seriously developed only
during the XX century. In Italy, an experiment was carried out during
the Thirties on the Island of Ischia. Important studies were conducted
after the Second World War in Russia, USA and Israel. Back to Italy,
during the Seventies the Italian ORC School was born at thePoli-
tecnico di Milano, Italy's most important engineering University. Its
founder wasProf. Gianfranco Angelino, with his colleaguesProf.
Ennio MacchiandProf. Mario Gaia, the founder of Turboden. La figura 12 mostra la prima turbina che abbiamo progettato e re-
alizzato, negli anni '70. Una macchine monostadio a reazione, da
4 kWel, fluido di lavoro percloroetilene, che aveva come sorgente
acqua a 90C, proveniente da collettori solari piani.
Fu la prima dimostrazione che, con un'appropriata scelta del fluido
di lavoro, possibile realizzare macchine di dimensioni ottimali, con
sforzi meccanici modesti (la macchina in oggetto aveva la girante in
lega leggera) e soprattutto, rendimenti molto elevati.
Seguirono altre macchine, anche molto pi complesse, come quella
illustrata nella figura seguente, che presenta una soluzione a quattro
stadi, di cui il primo parzializzato, il secondo con pale cerchiate a
causa delle piccole altezza di pala, seguito da due stadi a reazione
ad alto rendimento. La macchina operava con un fluido completa-
mente fluorurato a molecola molto complessa e fu accoppiata a un impianto solare termodinamico a concentrazione lineare operante
in Australia.
Dopo queste piccole macchine di successo, inizi l'avventura indu-
striale di Turboden, una spin-off ante litteram che oggi un'azienda
leader del settore a livello internazionale.
Un esempio recente di collaborazione fra Turboden e Politecnico di
Milano, questa volta sponsorizzata da ENEL, rappresentato dal
ciclo ORC ipercritico a R 134: la foto realizzata a Livorno, nel
centro di ricerca ENEL. un gruppo da 500 kW, da considerarsi
come prototipo di macchine geotermiche da 10 MW e oltre.
Un'altra collaborazione di successo nata sempre dal nostro gruppo
di ricerca del Politecnico di Milano rappresentata da Exergy, che
con un innovativo modello di turbina 'radiale outflow' anch'essa
diventata un'azienda leader in campo internazionale, soprattutto
nel settore geotermico.
Per evidenziare quale forte impatto abbia avuto nel mondo la tecno-
logia italiana degli ORC, chiudo questa lezione con le due prossime
figure, che illustrano la situazione corrente (i numeri si rifericono
all'inizio del 2016, e continuano a essere in forte crescita) del mer-
cato degli ORC.
La prima utile per evidenziare i campi applicativi pi importanti: FIGURA 13 - Una
turbina a 4 stadi per
un motore ORC ad
alata temperature da
35 kW
FIGURA 14 - Il prototipo da 500 kWel con ciclo
ipercritico sperimentato al centro sperimentale
ENEL di Livorno
FIGURA 15 - Un esempio di turbina 'outflow'
progettata da Exergy installata in un campo geotermico
FIGURA 12 - La prima
turbina ORC progettata
al Politecnico di Milano
Grandi Maestri 37 LA TERMOTECNICA 27 Panorama SETTEMBRE 2017 nell'ordine la geotermia, le biomasse, il recupero termico, il solare.
La seconda, fornisce dati sul ruolo dei diversi costruttori: dopo Ormat, da sempre la leader del settore, appaiono Turboden ed Exergy: due
realt industriali importanti, che hanno assunto nell'ultimo decennio
un gran numero di ingegneri laureati presso il Dipartimento di Ener-
gia del Politecnico di Milano: una grande soddisfazione per chi ha
contribuito alla nascita di questa tecnologia! FIGURA 16 - Il mercato mondiale degli ORC, diviso in
base alla fonte energetica
FIGURA 17 - Il mercato mondiale degli ORC, diviso in
base ai costruttori


© Eiom - All rights Reserved     P.IVA 00850640186