Gli speciali

Cogenerazione, trigenerazione, quadrigenerazione per la produzione di energia pulita

A cura di: Maurizio Cudicio

La cogenerazione con biomassa legnosa

Il ciclo di Rankine e il ciclo di Rankine Organico: come trasformare il calore in lavoro?

Cosa trovi in questo articolo
  • Il ciclo di Rankine
  • Il ciclo di Rankine Organico
La produzione simultanea di energia elettrica e termica da utilizzare per riscaldare o per refrigerare un vettore termico da utilizzare nei normali impianti può essere realizzata non solo con sistemi che sfruttino motori endotermici. È infatti possibile realizzare impianti di cogenerazione che sfruttano biomassa legnosa (Per approfondimenti sulla biomassa legnosa si rimanda allo Speciale n. 81 – Febbraio 2015 e Speciale n. 100 – Marzo 2016).
 


Il ciclo di Rankine

 
La produzione di energia elettrica avviene mediante ciclo di Rankine, un ciclo termodinamico che permette di trasformare il calore in lavoro. In quest'applicazione il calore viene fornito da un generatore di calore a biomassa, il quale riscalda il fluido che verrà utilizzato come motore per azionare una turbina da cui verrà prodotta energia elettrica.
 
Solitamente il fluido utilizzato è acqua o vapore, ma molto spesso viene anche utilizzato anche l’olio diatermico, un derivato della distillazione del  petrolio utilizzato che può essere più o meno viscoso a seconda della lavorazione che subisce, considerando che maggiore è la sua viscosità, maggiore sarà il suo potenziale di conducibilità termica, misurato a parità di temperatura con un olio diatermico più fluido.
 
Tale soluzione viene adottata quando si necessiti di temperature del fluido elevate a pressione atmosferica, aumentata ovviamente del battente statico dell’impianto. Gli olii utilizzati sono atossici e sono adatti per temperature fino a circa 300°C. L’utilizzo di olii diatermici permette di realizzare impianti di cogenerazione in assetto quadrigenerativo, in quanto la temperatura elevata del fluido permette di produrre vapore da utilizzare a vari scopi.



Miscele di composti chimici sintetici sono utilizzate nei casi in cui siano necessarie temperature tra i 300 e i 400°C. Molti olii diatermici hanno, però, i seguenti svantaggi:
  • In determinate condizioni sono infiammabili;
  • I coefficienti di scambio termico sono inferiori rispetto a quelli dell'acqua o del vapore;
  • Il fluido è notevolmente più costoso rispetto all'acqua.
 
I fluidi diatermici devono garantire le seguenti caratteristiche:
  • Trasmettere facilmente il calore utilizzando portate di fluido relativamente piccole, il che, dal punto di vista termodinamico, significa avere una densità abbastanza elevata, una buona conducibilità termica e un alto valore del calore specifico;
  • Buona resistenza all’ossidazione e al cracking (rottura, per effetto della temperatura, delle molecole d'olio) per non alterarsi alle temperature alle quali deve operare;
  • Bassa tensione di vapore alle temperature d’esercizio, in modo da consentirne l’impiego a pressioni non elevate per evitare lo sviluppo di vapori e il rischio di cavitazione o irregolarità di flusso;
  • Bassa viscosità in esercizio per limitare le perdite di carico;
  • Nessuna aggressività nei confronti dei materiali metallici e delle gomme;
  • Buone proprietà antischiuma e rilascio aria;
  • Elevata temperatura d’infiammabilità.

L’utilizzo di un generatore a biomassa in un ciclo Rankine permette di aumentare il rendimento di impianto in modo considerevole, soprattutto perché il processo di combustione permette di produrre energia elettrica, mentre il cascame termico derivante a valle del ciclo può ancora essere utilizzato per il riscaldamento degli ambienti o per produrre acqua calda sanitaria.

 

Il ciclo di Rankine Organico


In questi ultimi anni si stanno diffondendo sempre più impianti a biomassa in assetto cogenerativo con fluido organico, il cui acronimo è ORC – Organic Rankine Cycle.  L’ORC si basa su un turbogeneratore che lavora come una normale turbina a vapore da cui l’energia termica viene trasformata in energia meccanica e infine in energia elettrica attraverso un generatore elettrico. Diversamente da un ciclo Rankine tradizionale nel quale viene utilizzato vapore acqueo, il sistema ORC vaporizza un fluido organico, caratterizzato da un peso molecolare superiore a quello dell'acqua, in grado di garantire una rotazione più lenta della turbina, una minor pressione e di conseguenza una più lenta erosione delle parti metalliche e delle palette.
 
Il Ciclo Rankine Organico offre molti vantaggi, come ad esempio:

  • Alta efficienza della turbina e del ciclo termodinamico;

  • Bassa sollecitazione meccanica della turbina;

  • Assenza di umidità durante l'espansione del vapore, che in negli impianti risulta essere la principale responsabile dell'erosione delle palette;

  • Procedure di avvio semplificate;

  • Funzionamento automatico e continuo;

  • Ridotta attività di manutenzione;

  • Non richiede la presenza di un operatore;

  • Non c'è bisogno di acqua demineralizzata.