Sistemi solari a ciclo Rankine a fluido organico per applicazioni residenziali

I sistemi di ciclo Rankine con fluido organico sono sviluppati nell’ambito del progetto europeo Innova Microsolar

a partire dal Luca Cioccolati

In Europa, il settore civile è responsabile di circa il 40% del consumo totale di energia e del 36% delle emissioni di CO2 [1]. Per questo motivo, nel corso degli anni, l’Unione Europea ha pubblicato una serie di direttive volte a migliorare l’indice di prestazione energetica degli edifici agendo sia a supporto di azioni finalizzate ad interventi sull’involucro che sull’approvvigionamento energetico. Tra le tecnologie più efficienti dal punto di vista energetico I impianti di cogenerazione e trigenerazione possono svolgere un ruolo fondamentale nel processo di riduzione delle emissioni di CO2 nel settore residenziale. Tuttavia, sebbene anche i sistemi di piccola cogenerazione (CHP) e trigenerazione (CCHP) abbiano un grande potenziale in questa direzione [2], la loro adozione è stata finora piuttosto limitata per ragioni principalmente economiche. Infatti, la convenienza economica di un impianto di microcogenerazione o CCHP dipende fortemente dallo scenario in cui questi impianti operano (domanda di energia da utenze slave, prezzi dell’energia elettrica e dei combustibili, incentivi, ecc.).

Per raggiungere gli ambiziosi obiettivi fissati dall’Accordo di Parigi, negli ultimi anni è stata introdotta nel mix di produzione elettrica una quota crescente di fonti energetiche rinnovabili (FER), grazie a nuove normative e sussidi. Le tecnologie di microcogenerazione o CCHP basate su fonti rinnovabili potrebbero quindi contribuire a garantire una maggiore sicurezza dell’approvvigionamento energetico, parallelamente a un approvvigionamento più affidabile, più pulito e meno speculativo.

Sebbene i motori a combustione interna siano la tecnologia micro-CHP o CCHP più consolidata e ampiamente utilizzata, sono necessari alcuni progressi tecnologici per il loro funzionamento continuo se alimentati da combustibili rinnovabili. In zona residenziale, la tecnologia da fonte rinnovabile più utilizzata per la produzione di energia termica è attualmente rappresentata da Solare termico grazie alla facilità di installazione e alla buona efficienza di conversione ottenuta nel caso di sistemi di tubazioni sottovuoto. Tuttavia, al fine di favorire la diffusione degli impianti di microcogenerazione e CCHP nelle aree residenziali sono necessarie tecnologie solari in grado di raggiungere temperature più elevate che, in combinazione con sistemi ORC (Organic Fluid Rankine Cycle), possono convertire in modo efficiente l’energia solare incidente in energia elettrica e termica a media/bassa temperatura.

Per questo motivo molti ricercatori hanno concentrato i loro sforzi sullo studio e lo sviluppo di sistemi solari ORC su piccola scala al fine di rendere questa tecnologia più efficiente e adattabile al settore residenziale. In Italia, ad esempio Baccioli et al. [3] ha effettuato analisi digitali per valutare le prestazioni energetiche di un’unità ORC alimentata da un sistema solare a bassa concentrazione. Lo studio ha valutato la produttività del sistema per tre diverse località in Italia (a diverse latitudini) utilizzando una strategia di controllo dell’espansore volumetrico a velocità variabile per operare in assenza di un sistema di accumulo. Manfrida et al. [4]invece, hanno concentrato la loro attenzione su sistemi di stoccaggio in cambiamento di fase in combinazione con sistemi solari a maggiore concentrazione. Ancora più importante, Taccani et al. [5] creato e analizzato sperimentalmente le prestazioni di un sistema ORC alimentato da collettori parabolici lineari avente una superficie assorbente totale di 100 m2. Il sistema ORC dotato di un regolatore scroll e utilizzando R245fa come fluido di lavoro ha raggiunto un’efficienza elettrica lorda dell’8% operando a temperature di evaporazione abbastanza basse di circa 85°C.

Il progetto europeo si inserisce in questo contesto Innovare Microsolare coordinata dall’Università della Northumbria a Newcastle (Regno Unito) e all’interno della quale operano 2 PMI italiane e Università Campus. Il progetto mira a sviluppare un sistema innovativo di micro-cogenerazione basato su tecnologia ORC per applicazioni domestiche o piccole civili. L’energia elettrica è prodotta per mezzo di un’unità ORC da 2kWe / 18kWt che riceve calore ad una temperatura di circa 250°C grazie ad un sistema solare a concentrazione basato su riflettori lineari Fresnel prodotti dall’azienda italiana Elianto srl. Lo stabilimento produttivo è inoltre dotato di un sistema di accumulo termico realizzato con materiale a cambiamento di fase in modo da garantire la produzione di energia termica ed elettrica anche in assenza di irraggiamento solare per un intervallo di tempo di circa 3-4 ore. Finalmente un sistema di controllo intelligente prodotto da S.TRA.TE.GIE srl consente la gestione del sistema integrato anche da remoto tramite tecniche hardware-in-the-loop e la sua interazione con l’utente slave.

A seguito delle criticità legate all’epidemia di SARS-CoV-2 e ad alcuni aspetti tecnologici, il progetto ha richiesto una proroga e terminerà a giugno 2022. L’impianto è attualmente testato e testato ad Almatret (Spagna) al fine di verificare le prestazioni e l’affidabilità del sistema nel corso delle stagioni. I primi test di ottobre 2021 hanno dimostrato la capacità dell’unità ORC di raggiungere le prestazioni della piastra: è stata raggiunta una potenza di 2 kWe con una velocità di rotazione dell’espansore di 45.000 giri/min. Nel novembre successivo, però, il limitato irraggiamento non ha permesso di raggiungere i valori nominali ma ha comunque mostrato la buona adattabilità dell’unità ORC alle diverse condizioni ambientali.

Nei prossimi mesi il sistema sarà testato per valori di irraggiamento più elevati e periodi più lunghi con l’obiettivo finale di garantire circa il 60% dell’energia richiesta da un’utenza domestica media per contribuire in modo significativo alla decarbonizzazione del settore residenziale.

Bibliografia

1. Edifici – Commissione europea sd https://ec.europa.eu/energy/en/topics/efficienza-energia/edifici.
2. Comodi G, Cioccolanti L, Renzi M. Modellazione del settore domestico italiano su scala comunale: micro-cogenerazione, energie rinnovabili ed efficienza energetica. Energia 2014: 68. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.02.055.
3. Baccioli A, Antonelli M, Desideri U. Modellazione dinamica di un ORC solare con collettori parabolici composti: produzione annua e confronto con simulazione in regime stazionario. Gestione Energy Convers 2017. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.06.025.
4. Manfrida G, Secchi R, Stańczyk K. Modellazione e simulazione dell’accumulo di calore latente di materiali a cambiamento di fase applicati a un ciclo Rankine organico a energia solare. Appl Energy 2016 179: 378–88. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.135.
5. Taccani R, Obi JB, De Lucia M, Micheli D, Toniato G. Sviluppo e caratterizzazione sperimentale di un ciclo Rankine organico (ORC) a energia solare su piccola scala. Processo energetico 2016; 101: 504-11. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2016.11.064.