Exergetic potential of an organic Rankine cycle coupled with a concentrated solar power system

Il tema dello sviluppo sostenibile legato ad un corretto uso delle risorse è di grande attualità. Lo sviluppo sostenibile richiede l'utilizzo di risorse energetiche anch’esse sostenibili ed è più facilmente perseguibile se tali risorse vengono sfruttate in modo efficiente. I metodi di analisi exergetica sono un importante strumento che aiuta a migliorare l'efficienza dei processi. L'analisi exergetica fornisce una misura di come e di quanto le prestazioni reali di un sistema si avvicinino a quelle ideali e identifica, in modo più chiaro rispetto a quanto faccia l'analisi energetica, le cause delle perdite termodinamiche e dove queste si concentrano. Il lavoro svolto nella presente tesi mostra l’importanza che l’analisi exergetica assume quando applicata alla fase progettuale di sistemi energetici, specialmente quando questi ultimi presentano assetti non convenzionali. Dopo aver illustrato il concetto di analisi exergetica, si passa ad analizzare la letteratura scientifica attualmente disponibile al riguardo che tratti impianti non convenzionali, alimentati da fonti rinnovabili, specialmente di tipo ibrido. In seguito, ci si sofferma su di un sistema composto da un ciclo Rankine organico, alimentato da un impianto solare termico a concentrazione, precedentemente dimensionato a partire dal concentratore solare a disco presente sul tetto dell’edificio dell’Energy Center del Politecnico di Torino. Tale sistema viene analizzato dal punto di vista exergetico nel suo assetto iniziale. Successivamente vengono apportate alcune modificate all’impianto: ci si sofferma sul circuito del ciclo Rankine organico, focalizzandosi su valvole e su condensatore. Poi, spostandoci sul circuito solare, si va ad installare un accumulo termico di tipo termoclino, opportunamente dimensionato, che faccia da collegamento tra il circuito solare e quello di potenza, in modo da migliorare le prestazioni dell’impianto attenuando l’intermittenza della risorsa solare. I risultati ottenuti dall’analisi exergetica, espressi mediante opportuni indicatori, vengono commentati in modo da sottolineare l’influenza dei singoli elementi nell’intero sistema, nonché confrontati con i risultati riportati nella letteratura. I risultati ottenuti si dimostrano in linea rispetto a quanto riportato nei testi scientifici. Si analizza la logica di funzionamento di un simile sistema, decidendo di privilegiare la produzione di energia elettrica, in modo da sfruttare al meglio le potenzialità offerte da un ciclo di potenza funzionante a basse temperature quale il nostro ciclo Rankine organico. Infine, mediante un’analisi di sensitività, ci si sofferma sull’influenza che determinati parametri di funzionamento – nello specifico la temperatura e la pressione all’ingresso dell’espansore e le temperature operative all’evaporatore ed al condensatore - hanno sulle performance exergetiche, con una particolare attenzione alla valutazione delle irreversibilità che non è possibile evitare e del conseguente margine di miglioramento dell’intero sistema, sulla scia della teoria dell’analisi exergetica avanzata. In conclusione, si suggerisce l’impiego di analisi di tipo exergo-economico ed exergo-ambientale come strumenti da utilizzare in un eventuale futuro lavoro di ricerca e sviluppo, a partire dai risultati ottenuti dal lavoro svolto in questa tesi.