Modellazione di un Ciclo Rankine Organico su piccola scala alimentato da un Sistema a Concentrazione Solare = Modelling of a small-scale Organic Rankine Cycle powered by a Concentrating Solar Power system

Negli ultimi anni la crescente domanda di energia elettrica ha portato ad un maggior interesse verso le fonti di energia rinnovabile, che permettono la produzione di energia elettrica senza emissioni di gas serra dannosi per l’ambiente. L’energia solare è la più abbondante fonte di energia presente sulla Terra, è gratuita, pulita e non produce alcun tipo di inquinamento. In questo lavoro è stato modellato un Ciclo Rankine Organico (ORC) di piccola taglia che potesse sfruttare l’energia derivante da un concentratore parabolico a disco situato sul tetto dell’Energy Center di Torino. Il ciclo è stato dimensionato con il software Aspen Plus in modo da poter produrre sia energia elettrica che termica: l’espansore genera circa 10 kW di potenza, mentre la potenza termica smaltita al condensatore permette di scaldare una portata d’acqua fino a circa 80 °C, la quale può essere utilizzata per usi domestici (riscaldamento e/o acqua calda sanitaria) o per processi industriali. Il ciclo è stato studiato e modellato con 3 diversi fluidi di lavoro: due siliconici ed un fluido commerciale. I silossani liquidi utilizzati sono stati l’MDM ed il MD2M poiché entrambi presentano un’elevata temperatura critica compatibile con le temperature rese disponibili dal concentratore solare, mentre il fluido commerciale considerato è stato il Therminol 66, solitamente utilizzato come fluido di scambio termico in alcune applicazioni industriali. Per ogni componente del ciclo è stata svolta un’analisi di sensitività per definire in modo ottimale tutti i parametri necessari al funzionamento del ciclo con i 3 diversi fluidi sopracitati. I valori di portata ottenuti sono stati di 0,39 kg/s per l’MDM, 0,27 kg/s per il Therminol 66 e 0,48 kg/s per il MD2M. Tuttavia, il solo concentratore solare situato sul tetto dell’Energy Center non è sufficiente per alimentare un ciclo ORC da 10 kW di potenza, ed è quindi stato calcolato quanti dischi parabolici sarebbero necessari per la realizzazione di tale impianto. Oltre al ciclo base è stata studiata anche un’altra configurazione dell’impianto per i 3 fluidi: è stato aggiunto un recuperatore, ovvero uno scambiatore interno che permettesse di preriscaldare il liquido in uscita dal condensatore recuperando parte del calore sensibile posseduto dal fluido in uscita dalla turbina. Con questo accorgimento risulta essere inferiore sia la potenza termica smaltita al condensatore che la quantità di calore richiesta all’evaporatore per il cambiamento di fase del fluido di lavoro, permettendo la diminuzione del numero di concentratori necessari al funzionamento del ciclo. L’utilizzo del recuperatore ha permesso il recupero di circa 38 kW per l’MDM e di circa 56 kW per gli altri due fluidi. Affinché il ciclo ORC produca energia elettrica e termica è necessario che si raggiunga un certo livello di temperatura all’interno dei concentratori solari per permettere l’evaporazione del fluido di lavoro; attraverso i valori medi stagionali raggiunti sul fuoco del paraboloide, sono state calcolate le ore annue di funzionamento dell’impianto per MDM, MD2M e Therminol 66. Confrontando i risultati ed i rendimenti ottenuti dalla simulazione con i 3 fluidi di lavoro è stato possibile determinare il fluido migliore da utilizzare nel ciclo Rankine Organico. Per tale fluido è stata condotta un’analisi economica sia per la configurazione base che per quella con il recuperatore di calore al fine di determinare il Payback Period dell’intero impianto.