Modellazione di un Ciclo Rankine Organico su piccola scala alimentato da un Sistema a Concentrazione Solare = Modeling of a small-scale Organic Rankine Cycle powered by a Concentrated Solar System

L’obiettivo di questo elaborato di tesi è quello di modellare e analizzare un Ciclo Rankine Organico (ORC) associato ad un sistema a concentrazione solare (CSP) prendendo come riferimento il concentratore solare collocato sul tetto dell’Energy Center del Politecnico di Torino. Ad introduzione della trattazione è stata fornita una panoramica generale sull’energia solare e sulle sue applicazioni, includendo informazioni circa lo sviluppo delle tecnologie basate sull’utilizzo delle radiazioni solari e i benefici economici ed ambientali ad esso strettamente annessi. Alla base del funzionamento del ciclo termodinamico oggetto di studio vi è un impianto a concentrazione solare ad esso associato, tecnologia largamente descritta a partire dal principio di funzionamento fino ai dettagli sui suoi singoli componenti che ne caratterizzano la tipologia e le prestazioni. Spostando l’attenzione verso il ciclo Rankine Organico, si è descritta dapprima la tecnologia specificando le caratteristiche tecniche e le diverse tipologie attualmente disponibili; una delle scelte principali effettuate ha riguardato il fluido organico operativo da utilizzare all’interno del suddetto ciclo termodinamico, tale selezione è infatti determinante dal momento che le caratteristiche fisico-chimiche del fluido scelto impattano sulle prestazioni globali dell’impianto. A valle delle ricerche effettuate sono stati scelti tre fluidi organici operativi diversi per effettuare un’analisi comparativa delle prestazioni del ciclo Rankine Organico e un fluido termovettore dal quale dipende l’apporto di energia derivante dal sistema a concentrazione solare. Per effettuare la simulazione è stato utilizzato il software Aspen Plus per mezzo del quale è stato possibile implementare un diagramma di flusso in grado di simulare il funzionamento di un ciclo Rankine Organico in grado di fornire 15 kWe; per ognuno dei quattro dispositivi che compongono il ciclo e per ciascun fluido organico individuato, sono state svolte delle analisi di sensitività per monitorare il comportamento del dispositivo al variare della portata di fluido che lo attraversa. A valle di tali analisi è stato possibile individuare il fluido organico in grado di massimizzare il rendimento totale del ciclo, a parità di parametri operativi iniziali. L’analisi è poi proseguita con il dimensionamento del campo solare in relazione al fabbisogno energetico espresso dal ciclo termodinamico, prendendo come riferimento i parametri geometrici del concentratore solare collocato sul tetto dell’Energy Center e i valori medi stagionali di temperatura registrati nel 2019. Come ultimi analisi è stata effettuata una valutazione economica dell’intero impianto a concentrazione secondo la metodologia del Levelized Cost of Energy.