Studio di fattibilità di un Ciclo Rankine Organico su piccola scala alimentato da un Sistema a Concentrazione Solare = Feasibility study of a small-scale Organic Rankine Cycle powered by a Solar Concentration System

Lo studio di tesi compiuto riguarda la fattibilità di un ciclo Rankine organico di piccola taglia alimentato da un sistema a concentrazione solare. La potenza elettrica netta dell’impianto analizzato è pari a 15 kWe, mentre la fonte di alimentazione corrisponde al concentratore solare parabolico installato sul tetto dell’Energy Center di Torino. L’elaborato è composto da una prima parte introduttiva, una seconda bibliografica ed una terza parte sperimentale dove viene descritto lo studio effettuato e vengono commentati i risultati ottenuti. Il primo capitolo pone l’attenzione riguardo alla transizione energetica ed all’importanza delle energie rinnovabili, illustrando sinteticamente le principali fonti alternative e le rispettive tecnologie impiegate per sfruttarle. Si è poi focalizzata l’attenzione sulla fonte solare ed i corrispondenti campi di applicazione, descrivendo il settore del solare fotovoltaico e del solare termico, per poi porre maggiore interesse in merito alle tecnologie CSP. È stato dedicato ampio spazio alla trattazione riguardante le tipologie di impianto a concentrazione solare e le rispettive componenti principali, concludendo con un’illustrazione dei sistemi di accumulo maggiormente impiegati nel settore. Successivamente si è descritto il ciclo Rankine a vapore d’acqua, analizzando le principali grandezze di interesse e le trasformazioni termodinamiche compiute. La trattazione si è poi spostata sui cicli Rankine organici. Sono state illustrate tutte le principali soluzioni tecnologie impiegate per la produzione di energia elettrica, dedicando maggiore interesse al ciclo subcritico semplice ed al ciclo subcritico rigenerativo. La parte bibliografica si conclude con una descrizione riguardante i fluidi organici, le caratteristiche che li contraddistinguono e le proprietà di cui tenere conto quando li si impiega in un impianto. La parte sperimentale dell’elaborato inizia nel capitolo 5. Lo studio è stato effettuato seguendo il metodo a cascata, è stato prima dimensionato il ciclo Rankine organico per la produzione di potenza, per poi dedicarsi al sistema a concentrazione solare che fornisce il calore di alimentazione. L’analisi riguardante il ciclo ORC è stata suddivisa in due parti: un’analisi comparativa ed un’analisi di sensitività. L’analisi comparativa è stata effettuata andando a studiare, sia nel caso semplice che rigenerativo, il comportamento di sei fluidi differenti. Alcuni parametri sono stati mantenuti identici per entrambe le simulazioni di ciascun fluido, altri, come la pressione e la temperatura massima di esercizio, sono stati scelti seguendo dei precisi criteri. L’analisi, effettuata attraverso il software ASPEN PLUS®, ha avuto come scopo finale quello di confrontare le prestazioni dei fluidi a parità di condizioni iniziali e selezionare il fluido più performante. Il fluido con rendimento maggiore è risultato il Benzene. Successivamente, sempre attraverso il medesimo software, è stata effettuata un’analisi di sensitività impiegando come fluido di lavoro il Benzene. Dimensionando i singoli componenti si è individuato il punto di progetto adeguato che consentisse di ottenere una potenza netta pari a 15 kWe. Ottenendo i dati relativi alla potenza termica in ingresso, sia nel caso semplice che nel caso rigenerativo, si è potuto concludere lo studio andando a dimensionare il campo solare. Il dimensionamento di quest’ultimo è stato effettuato a partire dai dati raccolti dall’Energy Center riferiti alla radiazione globale media stagionale dell’anno 2019.